火灾下工字型钢梁抗火性能的热-结构耦合有限元分析

本文主要探讨了均布荷载下工字型钢梁的抗火反应，由作者王会、杨志勇、周焕廷和杨晓利在武汉理工大学土木工程与建筑学院进行的研究。他们利用大型有限元分析软件ANSYS中的三维热力耦合单元，对一个两端刚接、长度为3米的Q235钢工字型梁进行了详细分析。该钢梁承受的荷载为25.4KN/m，截面特征包括高0.3038米、宽0.165米、翼缘厚度0.0102米和腹板厚度0.0061米。 文章的焦点在于理解火灾条件下钢梁的力学行为，特别是在温度变化对其强度和刚度影响下，钢梁的薄弱环节、耐火时间以及临界温度。通过对钢梁在不同温度下的温度场、应力分布和变形情况的模拟，研究人员能够更准确地评估其抗火性能，这对于钢结构建筑的防火设计至关重要。火灾下，由于钢材料的特性，如屈服强度和弹性模量随温度上升而显著下降，对钢梁的结构反应进行深入分析可以避免因火灾引发的结构损坏或倒塌，特别是在高层建筑中。 作者采用热-结构耦合的有限元法，通过模拟钢梁上翼缘表面以外区域受到火灾影响的情况，考虑了热对流传热和辐射的影响，以及外部环境按标准升温曲线逐渐升高的温度条件。研究过程中的荷载步长为每60秒一次，这使得他们能够精细追踪钢梁在火灾过程中的动态响应。然而，ANSYS的梁单元限制了他们只能模拟沿截面线性的温度变化，这可能意味着在实际应用中需要进一步考虑非线性和局部效应。 这篇文章提供了一种实用的工具和技术，以量化和预测钢结构在火灾条件下的性能，为钢结构建筑的设计提供了科学依据，有助于提高建筑物的消防安全。