波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于传统组合梁具有较高的承载力，在工程中得到了广泛的应用。为了研究波纹钢腹板组合梁在火灾高温作用下抗火性能，采用ABAQUS有限元分析软件建立了波纹腹板组合梁在高温下的热-力耦合模型，通过分析波纹腹板组合梁跨中挠度、梁端轴力随温度变化曲线研究了荷载比、跨高比、腹板波角、转角约束比和轴向约束比对组合梁抗火性能的影响。结果表明：无梁端约束的波纹腹板组合梁在高温作用下，中和轴沿截面高度不断上移，最后形成塑性铰而达到临界状态；波纹腹板组合梁在无转角和轴向约束时，荷载比对波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能有较大影响，随着荷载比的增加，组合梁临界温度也随之下降；在高温作用下，随着跨高比增大，波纹腹板组合梁临界状态时挠度值也越大；在其他条件相同时，腹板波角越小，说明其越接近平腹板组合梁，在高温作用下腹板越易发生局部失稳，因此抗火性能越差。当波纹腹板组合梁考虑端部约束后，组合梁在相同的荷载比条件下，其临界温度更高，约为无端部约束波纹腹板组合梁临界温度的1.2～1.5倍，且达到临界状态时挠度更小，约为无端部约束波纹腹板组合梁临界温度的0.6～0.8；波纹腹板组合梁转角约束比越大，跨中挠度下降速率越慢，梁端承受的负弯矩就越大，梁端下翼缘越容易发生受压屈曲破坏；无端部约束的波纹腹板组合梁，当腹板波角为65°时，跨中挠度下降速率最快，而具有端部约束的波纹腹板组合梁在腹板波角为45°时，组合梁挠度最大。

钢-混凝土组合梁是通过抗剪连接键将混凝土和钢梁组成整体形成的一种重要的横向承重构件,而将波纹腹板替代传统的 H 型钢中的平腹板后形成的波纹腹板钢梁，能够以较小的腹板厚度获得较高的平面外刚度和屈曲承载力，具有较高的承载力和经济优势。

Zhou等对四根在火灾作用下的体外预应力钢-混凝土组合梁抗火性能进行了试验研究，主要考虑了荷载比、预应力比和体外拉索布置方式的影响。V. K. Kodur采用试验和有限元的方法，研究了典型的钢-混组合梁的抗火性能。Ehab Ellobody等采用有限元方法，研究了无保护蜂窝组合梁和实腹组合梁在高温下的非线性分析。蒋翔等利用有限元软件研究了耐火钢-混凝土组合梁在火灾作用下的力学性能。高轩能等试验研究了冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁的抗火性能。Liu T C H通过一系列约束钢梁的试验，研究了约束钢梁在火灾下的抗火性能，试验考察了荷载比、轴向约束、转动约束等因素的影响。Ehab Ellobody讨论了无保护蜂窝组合梁和压型钢板组合梁在高温下的非线性分析和设计。Bihina G通过试验研究了蜂窝组合梁在火灾作用下的受力性能。

张哲等利用验证的有限元模型研究了处于轴向约束中的波纹腹板和平腹板钢梁悬链线效应力学性能，讨论了两种不同形式腹板对于抗弯和轴向承载力的贡献，以及在悬链线阶段的异同。王培军、刘昌斌等采用经验证的有限元模型研究了受约束波纹腹板梁在截面温度均匀和不均匀分布下的悬链线效应，研究表明钢梁在不均匀温度分布时的悬链线弯矩较均匀温度分布高。陈恒超、刘昌斌利用有限元软件分析了轴向约束作用下的波纹腹板钢梁在均匀和不均匀温度分布下的悬链线效应，同时还进行了参数分析。

由以上文献分析可知，对钢-混凝土组合梁抗火性能研究多为平腹板钢-混凝土组合梁和波纹腹板钢梁的研究，对波纹腹板钢-混凝土组合梁进行抗火性能的研究很少。波纹腹板的抗弯刚度和轴向刚度远小于相同截面高度的平腹板，导致火灾下波纹腹板组合梁与平腹板梁的力学性能变化有较大差别，而且相比于波纹腹板钢梁，组合梁的形式也会改善其抗火性能，因此对波纹腹板钢-混凝土组合梁进行抗火性能的研究具有重要而迫切的意义。

本文采用有限元方法对波纹腹板H型钢组合梁的抗火性能进行参数分析，包括考虑和不考虑转角和轴向约束刚度比两种条件下的荷载比、跨高比、腹板波形、配筋率。重点讨论了波纹腹板H型钢组合梁随温度变化的力学响应，并分析了其破坏机理。为便于表述，后文将波纹腹板H型钢组合梁简称为组合梁。

组合梁跨度为6 m，立面如图1所示。混凝土板尺寸为1 850 mm×140 mm，强度等级为C30；钢材采用Q235，腹板高度500 mm，厚度为3 mm；钢梁翼缘150 mm×10 mm；抗剪栓钉采用φ19×100@150,双列布置,间距80 mm；钢筋采用双层双向配筋，型号为HPB235，横向钢筋φ10@100，纵向钢筋为φ8@120；组合梁横截面如图2a所示，腹板波形如图2b所示。

图1 组合梁立面示意

a—组合梁横截面；b—组合梁腹板波形。

图2 组合梁横几何构造

主要参数设计如表2所示，这里荷载比α定义为施加的荷载与常温下该组合梁的极限荷载之比，跨高比λ为组合梁的跨度与截面高度的比值。

表2 组合梁参数设计

3.1.1波纹腹板组合梁中性轴随温度变化及破坏机理分析

图7示出了在荷载比0.6作用下简支组合梁中性轴随温度变化的云图。其中红色区域为受压区域，灰色区域为受拉区域，因此图中红白相间处即为中性轴的位置。从中可以看出：在100 ℃时，中性轴位于混凝土板内，跨中挠度也较小；随着钢梁温度逐渐升高，其抗拉强度和弹性模量不断降低，导致中性轴不断上移；在650 ℃时，两加载点构成的纯弯段逐渐形成塑性铰；在720 ℃时，塑性铰已经相当明显，很快组合梁达到强度极限状态而破坏。这与组合梁在临界状态时挠度快速发展的趋势是一致的(图8)，说明高温下的波纹腹板组合梁发生了强度破坏。

a—100 ℃；b—400 ℃；c—650 ℃；d—720 ℃。

图7 随温度变化的组合梁中性轴位置

3.1.2荷载比

无转角与轴向约束的波纹腹板组合梁在不同荷载比下的跨中挠度-温度关系曲线如图8所示，图中横坐标所示温度为下翼缘温度，如不加说明，后文横坐标的温度均指下翼缘温度。

图8 荷载比对组合梁挠度的影响

图中显示荷载比α为0.2～0.8时，各组合梁挠度曲线类似。这里以荷载比为0.6对应曲线为例分析其变形过程：

1)第一阶段为挠度随温度平稳增长阶段，钢梁温度上升到500 ℃时挠度为89 mm,在此阶段钢材弹性模量和抗拉强度等力学参数随温度升高而衰减，其力学性能衰减较小，总体上组合梁刚度缓慢衰减，因而挠度随升温而缓慢发展。

2)第二阶段为挠度快速发展至失效阶段(500～720 ℃)，这一阶段中钢梁上翼缘的温度虽然只由500 ℃上升达720 ℃，但其挠度却从100 mm增加到630 mm，这是因为钢材在温度达到500 ℃以上时，其弹性模量和抗拉强度均严重衰减，抗弯刚度降低，导致组合梁挠度随温度急剧增长，因此在临界温度时挠度达到0.7 m。

纵向比较不同荷载比的挠度曲线(图8)可以看出：荷载比为0.2时，临界温度约为950 ℃，此时挠度约为650 mm；荷载比为0.6时，临界温度约为720 ℃，此时挠度约为680 mm，因此随着荷载比越大，临界温度越低。不同荷载比下组合梁的挠度变形虽然略有差别，但是总体趋势是一致的，荷载比较小时，临界温度较高，相应的挠曲值也越小。但总的挠度大小相差不大，在650～680 mm之间，这也表明波纹腹板简支组合梁在高温下具备较好的变形性能。

3.1.3跨高比

为研究跨高比对高温性能的影响，在保持跨度一定条件下，改变梁截面高度从而得到不同跨高比，具体尺寸如表3所示。

表3 组合梁模型相关参数

不同跨高比组合梁的挠度-温度曲线如图9所示。该曲线基本分为两个阶段：挠度平稳发展阶段、挠度急速增大阶段。

图9 不同跨高比组合梁的挠度-温度曲线(α=0.6)

在挠度平稳发展阶段，跨高比越大，组合梁的挠度变形越大，这是由于在相同的受火条件下，温度场分布基本相同，截面高度越小，抗弯刚度也越小，故而挠度较大。在挠度急速增大阶段，组合梁在约650 ℃后，挠度急剧发展，并很快达到临界状态。且跨高比越大，在相同温度下，梁的挠度相对较小。这是因为截面温度梯度越大，相应地由温度梯度引起的曲率就会越大。因此跨高比越大，挠度变形也就越大。

纵向比较显示：跨高比较小时，组合梁临界温度较低，其挠度值也较小；反之，跨高比较大时，挠度值较大，组合梁表现出较好的变形能力。例如λ=13.04时梁的临界挠度为λ=6.25时梁的2倍多(1000/450)，表明高温下，常规跨高比的组合梁变形能力更大。

3.1.4腹板波形

为研究具有不同腹板波形对组合梁高温下性能的影响，对比了3种腹板波角(图10)的组合梁高温性能，得到其挠度-温度曲线如图11所示。

a—θ=27°；b—θ=45°；c—θ=65°。

图10 不同腹板波形

由图11可知，腹板波形的波角为27°时的组合梁跨中挠度-温度曲线相对于其他两种挠度较小。这是由于腹板波角较小时，其受力性能接近于平腹板，可以承受一定的弯曲正应力，提高了组合梁的抗弯刚度。但波角较小时，腹板的平面外刚度较小，腹板极易在下翼缘的挤压下产生侧向屈曲(图12)，过早达到临界状态，因而其挠度发展相对于其他波角的组合梁低(图11)。

图11 不同波形的挠度-温度关系(α=0.6、λ=9.09)

图12 波角为27°波纹腹板组合梁变形云图 m

对波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能进行参数分析，得到以下结论：

1)无端部约束的波纹腹板梁在高温下属于塑性铰形成的强度破坏。而梁端部具有转角和轴向约束后，波纹腹板钢-混凝土组合梁端部下翼缘易出现局部失稳，这对高温下的悬链线效应的开展有不利影响。

2)荷载比是影响组合梁抗火性能的一个重要因素，随着荷载比的增加，组合梁临界温度越低，但临界温度时的挠度值相差不大，约为梁长的1/10～1/12。考虑梁端部约束后，组合梁在相同的荷载比条件下，其临界温度更高，达到临界状态时挠度更小。

3)当具有转角和端部约束时，组合梁出现了类似于索支梁的承载机制，在临界状态下具有65°波角的组合梁挠度要小于45°波角的组合梁，即65°波角的组合梁的弯曲刚度高于45°波角的组合梁。文中提出的波纹腹板约束组合梁高温下的承载机制模型解释了此种现象。

4)在高温下，组合梁跨高比越大，截面温度梯度越大，相应地，由温度梯度引起的曲率就会越大，挠度变形也越大。且波角的变化对组合梁抗火性能也有很大影响，波角越小时，组合梁腹板上越容易发生局部失稳而提前破坏。