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摘 要：冷彎薄壁型钢楼板的耐火性能是决定其作为装配式结构能否推广的重要因素，目前可供借鉴的足尺火灾试验数量有限，且大部分数值模拟局限于用二维传热模型开展温度场分析，或基于简化的线性温度分布开展三维模型的热力耦合分析。冷弯薄壁型钢楼板构造复杂，利用二维传热模型以及简化线性温度分布假定开展的热力耦合分析，由于未考虑三维结构在受火时真实的非线性传热机制，其所反映的结构抗火性能与真实情况可能存在显著差异。为更准确地描述这类结构的耐火性能，针对由冷弯薄壁型钢骨架、结构胶合板和石膏板、岩棉等材料组成的楼板体系建立三维传热模型，按照ISO-834标准升温环境模拟火灾情境，进行非线性传热过程和热力耦合分析，描述三维非线性传热机制和具有热力耦合特征的结构行为;提出更为准确的接触行为建模方法，以反映自攻螺钉、板材、轻钢构件之间接触传力关系和变形协调特征。在与两组足尺楼板体系火灾试验数据对比的基础上，给出由数值模拟得到的结构行为机理解释。研究表明：提出的三维传热和三维热力耦合分析数值模型能准确反映火灾条件下结构的力学行为，模拟的结构非线性温度分布特征、托梁的变形演化机制以及最终破坏形态与试验结果吻合较好。
关键词：冷弯薄壁型钢;楼板体系;耐火性能;火灾情境;传热过程;力学行为
Abstract： Cold-formed light gauge steel framing （LSF） structure is a new type of fabricated steel structure. Fire resisting performance of LSF structure is the key factor that determines whether it can be promoted as a fabricated structure. However， for the LSF floor as one of the main load-bearing systems in LSF structures， the number of full-scale fire tests available for reference is limited. Most numerical simulations of LSF floors are limited to using two-dimensional heat transfer models to conduct temperature field analysis， or to conduct thermal-mechanical coupling analysis of three-dimensional models based on simplified linear temperature distributions. The difference between the analysis results of two-dimension and three-dimension structural members could accumulate and evolve into the essential discrepancy during force transfer when the structural scale is large and the system is complex. In order to describe the fire resistance of this type of structure more accurately， a three-dimensional heat transfer model has been established for the floor system composed of cold-formed thin-walled steel framework， structural plywood， gypsum board， rock wool and other materials.According to the ISO-834 standard，the heating environment is used to simulate the fire situation， the nonlinear heat transfer process and the thermal-mechanical coupling analysis have been performed， and the three-dimensional nonlinear heat transfer mechanism and the structural behavior with thermal-mechanical coupling characteristics have been described. In addition， a more accurate modeling method of contact behavior has been proposed to reflect the contact force relationship and deformation coordination characteristics among self-tapping screws， structural plates， and light steel members.Based on the comparison with two sets of fire testing data for the full-scale floor systems， the explanation of the structure behavior mechanism obtained by numerical simulation has been given. In general， this model based on three-dimensional heat conduction and thermal-mechanical coupling can effectively describe the LSF spatial mechanical behavior under fire conditions. The results show that the proposed three-dimensional heat transfer and three-dimensional thermal-mechanical coupling analysis numerical model can be utilized to predict the fire resistance of LSF floor systems and evaluate the effective factors on structural high-temperature behaviors via parametric analysis.The simulated non-linear temperature distribution characteristics of the structure， the deformation evolution mechanism of the joists and the final failure form are in good agreement with the test results. Keywords： cold-formed light gauge steel; floor systems; fire resistance; fire conditions; heat transfer process; mechanical behavior
冷弯薄壁型钢结构作为一种装配式钢结构，主要通过自攻螺钉将冷弯薄壁型钢骨架连接成框架，并在框架一侧或两侧覆以结构板材形成墙体、楼板等受力构件。并在结构构件基体外再覆以石膏板、玻镁板等具备防火、隔声、装饰等性能的建筑板材，以满足建筑结构的功能性需求。钢结构在高温下的强度和刚度衰退非常显著[1-2]，冷弯薄壁型钢楼板作为该结构体系中重要的承重结构构件，其耐火性能得到日益关注[3-5]。
其他国家开展冷弯薄壁型钢结构火灾试验研究[6-8]已积累了一定的经验和数据，而中国的试验研究[9-11]相对有限。相比火灾试验耗资大、耗时长，数值分析提供了更便捷的方式以了解其在火灾下的温度分布[12-15]和结构性能[16]。Keerthan等[17]利用SAFIR进行了冷弯薄壁型钢墙体的二维瞬态传热模拟。Feng等[12]利用ABAQUS对冷弯薄壁型钢墙体截面建立了二维传热模型。Baleshan等[18]和Jatheeshan等[19]使用简化的线性温度分布对火灾下冷弯薄壁型钢托梁的结构行为进行了模拟。
近年来，冷弯薄壁型钢楼板的耐火性能数值模拟主要存在以下局限性：1）基于结构体系截面建立的二维传热模型仅能考虑单个截面的温度分布和升温规律。但三维空间中冷弯薄壁型钢楼板体系的板材组合情况、托梁腹板开孔、空腔和托梁截面形状的改变以及结构部分受火时的情况，均会导致结构体系温度发展不均匀，因此，二维模型适用性非常有限，需采用三维模型进行传热模拟[20]。同时，二维传热模型的计算结果无法作为空间温度场数据用于火灾下结构热力耦合的研究。2）一些三维热力耦合分析模型使用的温度场数据采用简化的线性温度分布假定[18]，但无法考虑楼板体系由于复杂构造等因素导致的非线性温度分布及其影响。3）既有的三维热力耦合模型往往是一个独立的钢托梁构件[19]，该模型考虑的楼面板材、钢托梁的约束情况以及荷载施加方式对钢托梁性能造成的影响过于简化。因此，有必要提出一种能够更充分考虑冷弯薄壁型钢楼板结构体系耦合热力行为的模拟方法：首先建立三维传热模型，计算并得出结构的非线性温度分布和升温规律，继而分析热力耦合效应下冷弯薄壁型钢结构体系的结构性能。
参考既有试验的参数信息，笔者基于非线性有限元平台ABAQUS建立了冷弯薄壁型钢楼板的三维传热模型;根据既有研究经验和试算对比，选取材料的热工和力学性能参数，计算分析楼板在ISO-834标準火灾条件[21]下的传热行为，并利用两组火灾试验结果[8]对传热分析结果进行验证;基于验证的传热分析结果，建立三维热力耦合模型，对楼板体系在火灾下的结构行为开展模拟分析，进一步验证耐火极限试验结果[8]。
1 三维传热模型
1.1 模型的建立
以Baleshan等[8]的试件为分析对象，利用有限元分析平台ABAQUS建立两个2 400 mm×2 100 mm（长×宽）的冷弯薄壁型钢楼板模型，包括4根钢托梁和两根导轨组成的钢骨架以及受火侧、背火侧板材。所用冷弯薄壁型钢的钢材等级为G500，采用C型截面钢（托梁C180 mm×40 mm×15 mm×1.15 mm，腹板高度h×翼缘宽度b×卷边宽度a×厚度t）及U型截面钢（导轨U182 mm×50 mm×1.15 mm，h×b×t），钢托梁（J1、J2、J3、J4）之间间距S均为600 mm。试件沿截面厚度方向的板材组合和钢托梁布置如图1所示。
值得注意的是，试件在受火侧空腔面设有3个200 mm宽的石膏板背挡块，如图2（a）所示。此处空腔形状已发生改变，结构沿跨度方向温度分布不均匀，故二维截面传热模型不再适用[22]。
传热分析数值模拟中，石膏板、岩棉和胶合板采用8节点三维实体传热单元（DC3D8），冷弯薄壁型钢骨架采用4节点壳体传热单元（DS4）。根据敏感性分析结果，选择模型平面网格密度为80 mm，在钢骨架与板材相交区域网格细化为10 mm;厚度方向网格密度为5 mm，它决定了板材厚度方向的传热情况，因此，在此方向采用更细的网格划分，如图2（b）所示。
采用Baleshan等[8]的火灾试验结果，以对比验证冷弯薄壁型钢楼板的传热和热力耦合分析结果。
在试验开始前，以增量的方式给楼板试件背火侧施压至荷载比0.4，然后受火侧开始升温，直至结构丧失耐火承载力。试件1的耐火极限时间为107 min，试件2为139 min。试验后，观察结果发现：试件1受火侧石膏板有烧蚀、脱落的现象，其背火侧胶合板在空腔侧形成烧焦层，其他表面状况良好，基本保持了背火侧板材的完整性。试件2受火侧岩棉发生收缩，导致接缝的开放和内侧石膏板层的暴露、烧蚀及脱落。
在后处理过程中，提取与Baleshan等[8]试验相对应的试件温度测点（见图3）的平均温度值（如：P1-P2间测点的平均值），输出时间温度曲线。为监测试件在火灾下的温度场分布和各部件的升温规律，试件背火面、受火面以及各板材之间各设置了5个热电偶，如图3所示。其中，各层的其中3个热电偶分别位于中间腔体中垂线的0.25L、0.5L、0.75L处，另外2个热电偶分别位于两侧腔体中垂线的0.5L处。内侧两根托梁分别在其冷、热翼缘和腹板的0.25L、0.5L和0.75L处设置热电偶。外侧两根托梁只在0.5L处的冷、热翼缘以及腹板设置热电偶。
1.2 边界条件
由于实际楼板体系中钢骨架与两侧板材以及各板材之间接触非常紧密，故对其相交部分定义为绑定连接，以确保它们之间的固体传热。
关键词：冷弯薄壁型钢;楼板体系;耐火性能;火灾情境;传热过程;力学行为
Abstract： Cold-formed light gauge steel framing （LSF） structure is a new type of fabricated steel structure. Fire resisting performance of LSF structure is the key factor that determines whether it can be promoted as a fabricated structure. However， for the LSF floor as one of the main load-bearing systems in LSF structures， the number of full-scale fire tests available for reference is limited. Most numerical simulations of LSF floors are limited to using two-dimensional heat transfer models to conduct temperature field analysis， or to conduct thermal-mechanical coupling analysis of three-dimensional models based on simplified linear temperature distributions. The difference between the analysis results of two-dimension and three-dimension structural members could accumulate and evolve into the essential discrepancy during force transfer when the structural scale is large and the system is complex. In order to describe the fire resistance of this type of structure more accurately， a three-dimensional heat transfer model has been established for the floor system composed of cold-formed thin-walled steel framework， structural plywood， gypsum board， rock wool and other materials.According to the ISO-834 standard，the heating environment is used to simulate the fire situation， the nonlinear heat transfer process and the thermal-mechanical coupling analysis have been performed， and the three-dimensional nonlinear heat transfer mechanism and the structural behavior with thermal-mechanical coupling characteristics have been described. In addition， a more accurate modeling method of contact behavior has been proposed to reflect the contact force relationship and deformation coordination characteristics among self-tapping screws， structural plates， and light steel members.Based on the comparison with two sets of fire testing data for the full-scale floor systems， the explanation of the structure behavior mechanism obtained by numerical simulation has been given. In general， this model based on three-dimensional heat conduction and thermal-mechanical coupling can effectively describe the LSF spatial mechanical behavior under fire conditions. The results show that the proposed three-dimensional heat transfer and three-dimensional thermal-mechanical coupling analysis numerical model can be utilized to predict the fire resistance of LSF floor systems and evaluate the effective factors on structural high-temperature behaviors via parametric analysis.The simulated non-linear temperature distribution characteristics of the structure， the deformation evolution mechanism of the joists and the final failure form are in good agreement with the test results. Keywords： cold-formed light gauge steel; floor systems; fire resistance; fire conditions; heat transfer process; mechanical behavior
冷弯薄壁型钢结构作为一种装配式钢结构，主要通过自攻螺钉将冷弯薄壁型钢骨架连接成框架，并在框架一侧或两侧覆以结构板材形成墙体、楼板等受力构件。并在结构构件基体外再覆以石膏板、玻镁板等具备防火、隔声、装饰等性能的建筑板材，以满足建筑结构的功能性需求。钢结构在高温下的强度和刚度衰退非常显著[1-2]，冷弯薄壁型钢楼板作为该结构体系中重要的承重结构构件，其耐火性能得到日益关注[3-5]。
其他国家开展冷弯薄壁型钢结构火灾试验研究[6-8]已积累了一定的经验和数据，而中国的试验研究[9-11]相对有限。相比火灾试验耗资大、耗时长，数值分析提供了更便捷的方式以了解其在火灾下的温度分布[12-15]和结构性能[16]。Keerthan等[17]利用SAFIR进行了冷弯薄壁型钢墙体的二维瞬态传热模拟。Feng等[12]利用ABAQUS对冷弯薄壁型钢墙体截面建立了二维传热模型。Baleshan等[18]和Jatheeshan等[19]使用简化的线性温度分布对火灾下冷弯薄壁型钢托梁的结构行为进行了模拟。
近年来，冷弯薄壁型钢楼板的耐火性能数值模拟主要存在以下局限性：1）基于结构体系截面建立的二维传热模型仅能考虑单个截面的温度分布和升温规律。但三维空间中冷弯薄壁型钢楼板体系的板材组合情况、托梁腹板开孔、空腔和托梁截面形状的改变以及结构部分受火时的情况，均会导致结构体系温度发展不均匀，因此，二维模型适用性非常有限，需采用三维模型进行传热模拟[20]。同时，二维传热模型的计算结果无法作为空间温度场数据用于火灾下结构热力耦合的研究。2）一些三维热力耦合分析模型使用的温度场数据采用简化的线性温度分布假定[18]，但无法考虑楼板体系由于复杂构造等因素导致的非线性温度分布及其影响。3）既有的三维热力耦合模型往往是一个独立的钢托梁构件[19]，该模型考虑的楼面板材、钢托梁的约束情况以及荷载施加方式对钢托梁性能造成的影响过于简化。因此，有必要提出一种能够更充分考虑冷弯薄壁型钢楼板结构体系耦合热力行为的模拟方法：首先建立三维传热模型，计算并得出结构的非线性温度分布和升温规律，继而分析热力耦合效应下冷弯薄壁型钢结构体系的结构性能。
参考既有试验的参数信息，笔者基于非线性有限元平台ABAQUS建立了冷弯薄壁型钢楼板的三维传热模型;根据既有研究经验和试算对比，选取材料的热工和力学性能参数，计算分析楼板在ISO-834标準火灾条件[21]下的传热行为，并利用两组火灾试验结果[8]对传热分析结果进行验证;基于验证的传热分析结果，建立三维热力耦合模型，对楼板体系在火灾下的结构行为开展模拟分析，进一步验证耐火极限试验结果[8]。
1 三维传热模型
1.1 模型的建立
以Baleshan等[8]的试件为分析对象，利用有限元分析平台ABAQUS建立两个2 400 mm×2 100 mm（长×宽）的冷弯薄壁型钢楼板模型，包括4根钢托梁和两根导轨组成的钢骨架以及受火侧、背火侧板材。所用冷弯薄壁型钢的钢材等级为G500，采用C型截面钢（托梁C180 mm×40 mm×15 mm×1.15 mm，腹板高度h×翼缘宽度b×卷边宽度a×厚度t）及U型截面钢（导轨U182 mm×50 mm×1.15 mm，h×b×t），钢托梁（J1、J2、J3、J4）之间间距S均为600 mm。试件沿截面厚度方向的板材组合和钢托梁布置如图1所示。
值得注意的是，试件在受火侧空腔面设有3个200 mm宽的石膏板背挡块，如图2（a）所示。此处空腔形状已发生改变，结构沿跨度方向温度分布不均匀，故二维截面传热模型不再适用[22]。
传热分析数值模拟中，石膏板、岩棉和胶合板采用8节点三维实体传热单元（DC3D8），冷弯薄壁型钢骨架采用4节点壳体传热单元（DS4）。根据敏感性分析结果，选择模型平面网格密度为80 mm，在钢骨架与板材相交区域网格细化为10 mm;厚度方向网格密度为5 mm，它决定了板材厚度方向的传热情况，因此，在此方向采用更细的网格划分，如图2（b）所示。
采用Baleshan等[8]的火灾试验结果，以对比验证冷弯薄壁型钢楼板的传热和热力耦合分析结果。
在试验开始前，以增量的方式给楼板试件背火侧施压至荷载比0.4，然后受火侧开始升温，直至结构丧失耐火承载力。试件1的耐火极限时间为107 min，试件2为139 min。试验后，观察结果发现：试件1受火侧石膏板有烧蚀、脱落的现象，其背火侧胶合板在空腔侧形成烧焦层，其他表面状况良好，基本保持了背火侧板材的完整性。试件2受火侧岩棉发生收缩，导致接缝的开放和内侧石膏板层的暴露、烧蚀及脱落。
在后处理过程中，提取与Baleshan等[8]试验相对应的试件温度测点（见图3）的平均温度值（如：P1-P2间测点的平均值），输出时间温度曲线。为监测试件在火灾下的温度场分布和各部件的升温规律，试件背火面、受火面以及各板材之间各设置了5个热电偶，如图3所示。其中，各层的其中3个热电偶分别位于中间腔体中垂线的0.25L、0.5L、0.75L处，另外2个热电偶分别位于两侧腔体中垂线的0.5L处。内侧两根托梁分别在其冷、热翼缘和腹板的0.25L、0.5L和0.75L处设置热电偶。外侧两根托梁只在0.5L处的冷、热翼缘以及腹板设置热电偶。
1.2 边界条件
由于实际楼板体系中钢骨架与两侧板材以及各板材之间接触非常紧密，故对其相交部分定义为绑定连接，以确保它们之间的固体传热。