華鋮瑞鋼結構空間網架結構抗火性能模擬分析

華鋮瑞鋼結構空間網架結構抗火性能模擬分析

 

1引言

空間鋼網架結構已在建筑領域得到廣泛應用。國上海體育館采用直徑110m大面積網架結構作為屋面的支撐體系；現已建成的天津科學宮，網架尺寸及高度達到而用鋼量僅為6.3國深圳國際機場航站樓屋頂局部的設計，同樣采用了網架支撐這一結構形式[1]

鋼網架結構體系的快速發展，得利于其具有較好的結構多樣性和規律性，易于組裝使用；可以在用料較少的條件下制作出大跨度的建筑；并且具有簡單易懂，設計計算簡便等優勢。然而，對鋼結構而言，耐火性能差是其最大的缺陷。

 

目前，研究結構抗火性能的主要方法是制作單個構件的抗火試驗，而后通過試驗數據歸納承重構件受火時的內力狀況[2]但這種方法只局限于構件本身，未考慮周圍桿件對其作用，而且也很難準確設置端部約束[3]近年來，性能化設計及評價結構抗火能力的方法發展迅速。因其具有真實、準確性，已逐漸得到國內外學者的認可[4]

杜詠、李國強[5]利用有限元軟件對不同約束剛度網架的抗火性能進行研究，提出了隨著支座剛度的下降，網架結構的抗火能力會有提高。李耀莊、朱國朋[6]等使用ANA SYS軟件對某大空間網架耐火性能進行分析，認為網架中某些桿件的損壞不會影響整體結構繼續接受外載。尹越、袁鐵柱等[7]采用FDS軟件確定某廠房內部火災發生時空間溫度分布狀況，其模擬結果與實測數據符合較好，驗證了FDS軟件對火災溫度場模擬的實用性。

雖然人們利用性能化方法已取得一些研究成果，但仍有需要改進的方面和積累更多實例素材的必要。本文從實際工程動身，利用FDS軟件模擬室外火災發生時的結構空間溫度場。作者在考慮防火涂料的作用下，采用ABA QUS非線性數值分析軟件模擬空間網架在常溫及高溫下結構的內力和變形情況。

2研究背景

2009年2月，建的某工程發生重大火災，起因是由于煙花火星散落在屋頂易燃的保溫資料上而引起火苗，以致釀成大火?；馂暮蠼洭F場檢測，建筑物過火面積達到8490m2直接造成經濟損失約16383萬元。

本文選取C區網架進行結構抗火性能研究，圖1為網架區域分布圖。

圖1網架區域分布圖

C區網架結構位于主樓東側1927層，網架高度46.4m跨度為39.59m網格形式為雙層正放四角錐網架結構，上下弦規則網格的邊長為33.5m單元網格厚度3.52m該網架由六種不同規格的空心圓管組成，具體尺寸及數目詳見表1

表1網架桿件尺寸及數量詳表

 

注：乘號前為鋼管外徑，其后為鋼管壁厚。尺寸單位：mm

3.1鋼材的熱工性能

1鋼材的膨脹系數及密度

鋼材的膨脹系數雖略受溫度變化影響，但經過科學檢驗，并考慮到實用性，可以近似認為該參數不隨溫度而改變，研究時將其設為常數。國規范即采用此種方法。

本文根據《鋼結構設計規范》定義資料的膨脹系數為 而鋼材的密度是不隨溫度變化的量，取常溫數值

3.2鋼材的力學性能

鋼材是非燃燒材料，但其具有不耐火的特性。高溫狀態下，資料的強度和剛度都會發生顯著的下降。

1資料的彈性模量和泊松比

經試驗確定，鋼材的彈性模量隨溫度的上升而下降。對于不同種類的鋼材，各國規范給出了相應的計算公式。針對本文研究鋼材為Q345級結構鋼，采用歐洲EC3規范來確定彈性模量。表2為結構鋼高溫下彈性模量降低系數。

表2結構鋼高溫下彈性模量降低系數

鋼材的泊松系數受溫度的影響很小，可不考慮其隨溫度的變化，取為0.3

2資料的屈服強度

對普通結構鋼而言，其屈服強度隨溫度的上升而降低。溫度達到300時，資料已無明顯的屈服平臺。因此，研究者通常采用鋼材的名義屈服強度來代替真實屈服強度。為使結構有足夠的平安儲藏，作者將材料的比例極限強度定義為鋼材高溫下的屈服強度。鋼材的高溫強度降低系數在表3中列出。

3資料的應力-應變關系

描述鋼材高溫下的本構關系模型有很多種，其中以分段直線模型較為簡單常用，但其與材料真實的本構曲線相差較大，故一般情況下不建議使用直線模型。文中采用歐洲EC3規范介紹的資料應力-應變關系計算模型[8]具體計算模型形式如圖2所示。

表3結構鋼高溫下強度降低系數

 

圖2不同溫度下鋼材應力-應變關系曲線

 

4空間網架結構溫度場計算方法

4.1網架環境溫度的確定

該網架結構區域范圍較大，溫度計算時不能采用區域模型進行結構溫度研究，宜使用場模型來確定網架各位置的溫度數值。

為使研究模型與實際情況相符，利用FDS軟件來確定網架各節點在火災過程中溫度變化情況。通過對室內火災荷載的調查及結構損傷水平的檢測，將實際計算參數輸入軟件中，得到網架425個節點溫度隨時間變化曲線，圖3繪出了其中15個節點的溫度變化曲線。

4.2鋼管桿件外表溫度確定

網架鋼桿件外表噴涂有薄涂型防火材料。由于涂料的隔熱作用，鋼管外表的溫度值比環境溫度要小，利用ABA QUS軟件分析結構高溫下受力性能時，需要對環境溫度進行相關處置。而后，將處理得到桿件外表溫度以邊界條件的形式施加到結構上。

圖3網架結構局部節點環境溫度變化曲線圖

對于有薄涂型防火涂料結構面層溫度的計算，采用增量形式進行處置。式1給出了計算方法[9]

依據公式1繪制了經處置后對應的15個節點鋼管外表溫度變化曲線，如圖4所示。

5網架結構受力性能分析

常溫下，由于空間網架結構單元形式規則，空間連接緊密，整體穩定性能良好，不會因局部桿件的破壞而發生整體倒塌。然而，高溫狀態下，網架桿件會受溫度的上升而膨脹，受力性能和結構的穩定將發生變化?；诖它c，本文將詳細分析網架結構在常溫和高溫情況下的力學性能。

圖4網架結構局部節點桿件外表溫度變化曲線圖

5.1常溫下網架受力分析

經傳熱學分析，薄壁鋼管內外外表溫差相差很小，認為溫度沿截面均勻分布。鑒于高溫下桿件易發生彎曲的特性，文中采用網架梁系計算模型。ABA QUS有限元分析軟件中使用單元類型為B32梁單元來建立網架模型；截面形狀及資料屬性按文中規定的參數輸入；支座種類依照設計圖紙，采用固接和鉸接組合連接；作用在網架上的荷載包括桿件自重、網架內外外表分布荷載及風管荷載。

 

圖5網架結構常溫下桿件應力分布圖(MPa

經計算分析，得到常溫下網架在外載作用時桿件Mise應力云圖及沿豎直方向桿件的位移圖，如圖5圖6所示。

圖6網架結構常溫下桿件豎向位移分布圖（mm

由應力云圖可以看出，網架總體應力值遠遠未到鋼材的屈服強度，結構應力值分布較為均勻。最大應力出現在網架上部靠近支座附近位置，其值為133.4MPa

從豎向位移云圖能夠看出，網架結構撓度呈現出中部大，兩側小的分布情況，最大撓度量為14.55mm這主要是由于網架跨度較大，中部桿件受到支座約束的能力減弱，無法有效的限制桿件的位移所致。

5.2高溫下網架受力分析

施加溫度邊境條件后，得到網架在高溫狀態下的應力及豎向位移云圖。

從應力圖7中能夠看到桿件的最大應力值已達到423.5MPa呈現在網架的角部；此外，網架結構支座附近的桿件具有較大的應力?？偟膩碚f，桿件的應力值均較常溫有所增加。作者認為原因如下：

1溫度場因素

火災發生的位置及蔓延路徑對溫度場的分布影響很大，而溫度會直接影響資料屬性。由于火勢沿外部裝飾資料燃燒，外層網架溫度比內層網架溫度要高，右側邊緣桿件溫度比跨中桿件溫度要高。這使得右側外部邊緣的桿件內力值較大。

2資料因素

由3.2節可知，溫度的上升導致資料的剛度和強度均有顯著的降低。相同荷載作用下，剛度的降低會使桿件的變形增加，而多余的變形又會增大桿件的附加內力。

3約束原因

對于超靜定結構來說，溫度效應是不能忽視的對于結構中部的桿件，由于受到支座約束較弱，溫度作用下可以有一定程度的自由伸縮。而這種自由性會使桿件的附加內力增大幅度降低，而且資料的軟化也會降低多余內力的影響。

而網架邊緣靠近支座的桿件具有較大的約束剛度，桿件膨脹過程中無法通過有效的伸縮來釋放能量，就會使桿件截面內力繼續積累，造成局部應力過大現象。

 

圖7高溫下網架桿件應力云圖(MPa

 

圖8為網架高溫下桿件豎向位移分布云圖。

 

從網架撓度分布云圖中能夠看出，沿豎直方向桿件撓度逐步增大；某些局部位置（如右上角部）桿件受到溫度效應較大，而且端部受到支座的約束較強，使得一些與固定支座連接的桿件發生偏大的撓度值，進而嚴重影響網架的局部承載能力。

根據火災下整體結構承載能力的判定依據[10]

1結構整體喪失穩定性

2結構的整體變形達到無法接受荷載的限值，即最大撓度 與結構跨度 之比大于

由上述判據及網架達到最高溫度時的撓度值可知：網架跨中撓度最大值為102.7mm與該位置的跨度之比小于此限值，可認為結構仍有承載能力。

但從圖8中能夠知道，網架局部桿件撓度值過大，已逾越桿件承載力判據。因此，可以這樣認為：網架結構在受火過程中，雖有一些桿件退出工作，但其整體結構依然具有承載能力。

圖8高溫下網架桿件豎向位移云圖(mm

6．結 論

基于上述對網架結構抗火性能研究，能夠得到一些較有意義的結論：

1與常溫相比，高溫下網架中部桿件的應力值有所增加，但增加幅度不大；而在端部與支座連接的區域內桿件的應力值幅度增加較大，某些桿件已進入塑性階段。

對撓度而言，遠離支座的桿件在高溫下撓度值較常溫時增大5倍左右。而支座附近桿件高溫下撓度增加幅度比跨中桿件撓度增加幅度更大。

對于支座附近桿件破壞嚴重的現象，可以通過適當減小支座剛度的方法來加以改善，這樣會使溫度應力得到有效釋放。

2通過判定準則可知，網架在火災過程中整體性能良好，雖有局部桿件出現了較大的破壞變形，但多數桿件依舊可以接受荷載，這體現出此種結構形式有很好的抗火性能。

3與已有多數空間結構抗火研究相比，本文網架結構抗火性能分析引入了維護層概念，并通過公式1將施加在結構上的溫度進行了處置，這樣做可與實際工程相符，更加具有研究價值。

4研究方法上，文獻[10]將溫度作為節點荷載施加到網架上，資料高溫屬性取升溫后的鋼材性能。這種方法雖較為簡便，防止了熱-力耦合的復雜操作過程，但該研究具有階段性，沒有使結構的受力性能隨溫度連續性變化，與實際情況有一定出入。

文獻[11]將最大環境溫度施加在某些主要的受力區域，即采用區域模型進行網架受火分析。對大空間結構而言，火場中各位置的溫度是不同的若設置為相同溫度會影響桿件的膨脹變形，使結果出現偏差。

而作者采用空間溫度場和熱-力耦合的研究方式既考慮到大空間下溫度分布的不均勻性，又使得結構的受力隨溫度繼續變化，與真實情況更為相符。

趙 斌1劉棟棟1劉 娜21.北京建筑工程學院，北京 1000442.北京市市政工程設計研究總院，北京 100082

參考文獻

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[3]劉現鵬.鋼結構構件在火災下的溫度場分析與熱-結構耦合計算[D].山東建筑大學碩士學位論文.2007.5.

[4]JohannMA,AlbanoLD,FitzgeraldRW,etal.Performance-basstructurfiresafety[J].JournalofPerformofConstructFacilities,2006,20.

[5]杜詠，李國強.網架結構抗火性能受支座約束的影響[J].華僑大學學報：自然科學版，2008,304.

[6]李耀莊、朱國朋等.大空間鋼網架結構的性能化抗火分析[J].消防科學與技術.2008.6.

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[9]李國強，韓林海，樓國彪，蔣首超.鋼結構及鋼-混凝土組合結構抗火設計[M].北京：中國工業建筑出版社.2006.

[10]邱林波.空間網格結構火災下的力學性能研究[D].北京工業大學博士學位論文.2010.5.

[11]張超，殷穎智，羅明純.新建昆明國際機場航站樓屋頂網架結構的抗火研究與設計[J].建筑鋼結構進展.2009.10.