普通鋼材的力學性能指標和彈性模量在高溫下迅速下降,350°C時普通鋼結構的屈服強度降至其室溫屈服強度的2/3。為了提高普通鋼結構構件的抗火能力,必須采取涂防火涂料等防火保護措施。耐火鋼的室溫力學性能及其他質量指標均滿足普通建筑用鋼的使用標準,且600°C下的屈服強度高于室溫強度指標的2/3,彈性模量在700°C下仍能保持室溫時的75%以上,增強了建筑物抵抗火災的能力,提高了建筑物的安全性。
日本新日鐵鋼鐵公司開發了耐火鋼SM490-FR,YSakumoto等對該耐火鋼的高溫材性進行了試驗研究。國內在文獻試驗數據的基礎上,對影響耐火鋼鋼結構構件抗火性能的大量參數進行分析,提出耐火鋼構件耐火極限的實用計算方法。鋼一混凝土組合梁具有截面高度小、質量輕、承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好等優點,近年來廣泛應用于高層建筑結構和橋梁鋼結構中。國內學者普遍認為由于混凝土板的吸熱作用,組合梁中鋼梁溫度明顯低于無混凝土時的裸露鋼構件的溫度,因此與鋼梁相比,組合梁可大大改善梁的抗火性能。
目前,國外學者對鋼一混凝土組合梁抗火性能的研究集中于Cardington試驗中的約束鋼一混凝土組合梁抗火性能試驗及在此基礎上展開的相關研究上。國內對組合梁抗火性能研究相對較少,對兩種組合梁形式:主梁式試件(壓型鋼板肋平行于鋼梁)和次梁式試件(壓型鋼板肋垂直于鋼梁)分別進行了抗火試驗,并對影響簡支組合梁抗火性能參數進行了分析。2榀約束組合梁抗火性能的試驗研究,研究了處于鋼結構整體中的組合梁的抗火性能及其在火災中破壞的過程和特點。利用有限元軟件ANSYS和數值算法對標準升溫情況下輕鋼一混凝土組合梁的抗火性能進行研究。進行了單跨組合梁火災變形性能研究,試驗中對3x3跨3層鋼結構框架樓中不同位置的2個單跨組合梁在火災作用下的變形性能進行了試驗研究,結果表明整體結構中組合梁的火災行為不同于構件試驗中組合梁的火災行為,表現出了更好的抗火性能。
以上研究中,鋼梁采用的鋼材均為普通鋼結構,未曾有對耐火鋼一混凝土組合梁抗火性能的研究。考慮到耐火鋼和組合梁都對梁的抗火性能有所改善,本文先采用合理的材料熱工性能和高溫力學性能參數,合適的材料熱一力耦合本構關系,運用ABAQUS有限元軟件建立有限元分析模型,與高溫下的試驗結果進行對比,驗證本文分析理論和程序的正確性和可靠性,然后對相同條件下分別采用耐火鋼和普通鋼的鋼一混凝土組合梁的抗火性能進行比較分析,結果表明:在一定的火災條件下,耐火鋼一混凝土組合梁比普通鋼一組合梁有更好的抗火性能,能極大地增強建筑物抵抗火災的能力,從而減少鋼梁防火涂料(特別是采用厚型防火涂料時)的厚度和用量。