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基于FDS溫度場(chǎng)的大空間網(wǎng)架結構火災全過(guò)程分析
來(lái)源:建筑鋼結構網(wǎng)  作者:李國華 劉棟棟 張遠青  時(shí)間:2013-12-03   關(guān)鍵詞:大空間網(wǎng)架結構  

摘要:網(wǎng)架結構是大空間建筑的一種重要結構形式,對其進(jìn)行火災下的受力性能分析是結構抗火設計必不可少的一部分。本文以某重大工程網(wǎng)架結構為研究對象,以FDS模擬得到的溫度場(chǎng)為實(shí)際受火過(guò)程,運用ANSYS有

  要:網(wǎng)架結構是大空間建筑的一種重要結構形式,對其進(jìn)行火災下的受力性能分析是結構抗火設計必不可少的一部分。本文以某重大工程網(wǎng)架結構為研究對象,以FDS模擬得到的溫度場(chǎng)為實(shí)際受火過(guò)程,運用ANSYS有限元軟件對網(wǎng)架結構進(jìn)行了火災全過(guò)程分析,得到了網(wǎng)架結構在火災作用下的整體變形及受力性能。分析結果與現場(chǎng)檢測結果基本吻合,驗證了模型分析的準確性。本文結論對火災受損后結構的修復與加固提供了一定參考。

 

關(guān)鍵詞:網(wǎng)架結構,溫度場(chǎng),升降溫,受力特性

 

網(wǎng)架結構是大跨大空間結構的一種形式,具有節約鋼材,整體性好,制作安裝快捷,造型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于各種公共建筑中。由于鋼材耐火性能差,大跨公共建筑一旦發(fā)生火災,將可能造成重大人身和財產(chǎn)損失,因此對大空間網(wǎng)架結構進(jìn)行抗火性能研究是大空間建筑抗火設計必不可少的一部分。 目前國內外對網(wǎng)架的研究主要集中在結構靜力與動(dòng)力性能上,對網(wǎng)架結構抗火性能的研究還處于初步階段。杜詠[1]過(guò)對受支座約束的網(wǎng)架結構在非均勻溫度場(chǎng)中的力學(xué)反應進(jìn)行了分析,得出了支座約束剛度、網(wǎng)架結構抗剪剛度等因素對網(wǎng)架結構臨界溫度的影響規律,提出了考慮支座約束影響的正放四角錐網(wǎng)架結構臨界溫度的計算方法。邱林波[2]采用ABAQUS對火災下網(wǎng)架結構的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,分析了不同火源模型和不同結構參

數對火災下結構極限狀態(tài)的影響,提出火災下網(wǎng)架結構承載能力極限狀態(tài)的判定標準。鄒文平[3]建立了考慮升降溫火災全過(guò)程及火災后網(wǎng)架力學(xué)性能分析的有限元模型,對火災全過(guò)程中網(wǎng)架結構的變形,內力重分布及火災后承載力進(jìn)行了研究。白音[4]等對高溫下的網(wǎng)架結構進(jìn)行了非線(xiàn)性分析,并提出了采用修正的擬夾層板法估算網(wǎng)架結構在火災下的最大位移。

以前的研究均為基于假設溫度場(chǎng)下的網(wǎng)架抗火性能研究,其結果的正確性需進(jìn)一步驗證。本文以某重大工程為研究背景,根據火災現場(chǎng)情況,結合FDS模擬得到的結構溫度場(chǎng)分布,對網(wǎng)架結構進(jìn)行火災全過(guò)程非線(xiàn)性有限元分析,得到了升降溫過(guò)程中網(wǎng)架結構的整體受力及變形特性。有限元分析結果與現場(chǎng)檢測結果相吻合,表明本文建立的火災全過(guò)程有限元模性的正確性。分析結果為災后網(wǎng)架結構的修復與加固提供一定的參考。

1. 網(wǎng)架有限元模型

1.1 網(wǎng)架幾何模型

某工程網(wǎng)架,平面長(cháng)91.55m,寬78.925m,為雙層正放四角錐網(wǎng)架結構。網(wǎng)格平面尺寸3.6m 3.6m,網(wǎng)格厚度為2.62m,桿件截面為圓形鋼管,共有121mm 5mm、140mm 6mm、180mm 6mm、203mm 6mm16種規格。

本文采用ANSYS軟件建立網(wǎng)架有限元計算模型,網(wǎng)架桿件單元采用BEAM18進(jìn)行劃分,網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)架有限元模型見(jiàn)圖1。

 

 
圖1  網(wǎng)架有限元模型及荷載分布(大空間網(wǎng)架結構)

 

 

1.2 荷載情況

施加在網(wǎng)架上的荷載按照火災發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況選取定?;馂陌l(fā)生時(shí),作用在網(wǎng)架結構上的實(shí)際荷載有構件自重,網(wǎng)架上下覆蓋的金屬自重,網(wǎng)架上懸掛的豎向玻璃幕墻荷載,網(wǎng)架上懸掛的燈具自重,樓梯荷載,天溝荷載以及暖通靜壓箱荷載等;結構分析時(shí)不考慮活荷載的作用。網(wǎng)架結構的有限元模型及荷載分布情況見(jiàn)圖1。

1.3 網(wǎng)架支座情況

網(wǎng)架結構中支座分兩種類(lèi)型:固定鉸支座與滑動(dòng)鉸支座。固定鉸支座約束三向位移,允許空間自由轉動(dòng),最大允許轉角為0.02rad?;瑒?dòng)支座只約束豎向位移,允許在水平面內雙向自由滑動(dòng),允許空間自由轉動(dòng),最大允許轉角為0.025rad;支座設雙向限位裝置,滑動(dòng)后的承載力重心與球型轉動(dòng)面中心對齊。

根據網(wǎng)架結構中各滑動(dòng)支座的情況,結合GB/T 17955-2000《球型支座技術(shù)條件》[5]相應規定,在ANSYS中采用彈簧單元combin39來(lái)建立滑動(dòng)支座模型,通過(guò)設定相應的荷載位移曲線(xiàn)來(lái)模擬滑動(dòng)支座在平面內自由滑動(dòng)的特性。

2 高溫下鋼材特性

2.1 高溫下鋼材的應力應變關(guān)系

網(wǎng)架構件所用鋼材型號為Q345B,常溫下鋼材的屈服強度標準值取,鋼材的極限強度標準值為,鋼材的初始彈性模量為。ANSYS分析中鋼材采用多線(xiàn)性隨動(dòng)強化模型,高溫下和高溫后的鋼材應力應變關(guān)系按歐洲規范EC3:Part 1.26的約定選取,高溫下鋼材的應力應變曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

 

 
圖2  高溫下鋼材應力應變曲線(xiàn)(大空間網(wǎng)架結構)

 

 

2.2 高溫下鋼材的物理特性

高溫下鋼材的物理特性根據CECS 200:2006《建筑鋼結構防火技術(shù)規范》[7]相關(guān)規定選取。鋼材的熱膨脹系數取,鋼材密度為7850 ,泊松比為0.3。

3 網(wǎng)架溫度場(chǎng)分布

作用于網(wǎng)架結構的溫度場(chǎng)通過(guò)火災現場(chǎng)調查并利用FDS軟件模擬得到。根據網(wǎng)架構件防火涂層的特性(防火涂層的導熱系數,厚度為4mm,密度及《建筑鋼結構防火技術(shù)規范規范》(CECS 200:2006)的相關(guān)規定,計算得到網(wǎng)架節點(diǎn)溫度,通過(guò)APDL二次開(kāi)發(fā)程序,將溫度以體荷載的形式施加在網(wǎng)架的各個(gè)節點(diǎn)?;馂纳郎剡^(guò)程中網(wǎng)架節點(diǎn)溫度分布情況見(jiàn)圖3。

 

 
圖3 t=491s時(shí)網(wǎng)架溫度場(chǎng)分布情況(大空間網(wǎng)架結構)

 

 

火災過(guò)程中,溫度場(chǎng)在網(wǎng)架中的分布呈現不均勻性,火災主要集中在網(wǎng)架的中部、南側和東側,網(wǎng)架西側基本沒(méi)有受到火災的影響。網(wǎng)架東南側構件在t=491s時(shí)達到最高506 ,東北側構件在t=4620s時(shí)達到551 。

4分析結果

4.1 網(wǎng)架變形

在室溫(20oC)狀態(tài)下,網(wǎng)架結構在重力荷載作用下,最大及最小豎向位移(z向)發(fā)生在掛有玻璃幕墻的南側邊緣構件。最小位移為-41.7mm,最大位移為16.9mm(圖4a))。隨著(zhù)溫度的增加及溫度分布的變化,網(wǎng)架結構的最小豎向位移向著(zhù)荷載及溫度較大的中心部位移動(dòng),最小豎向位移發(fā)生在網(wǎng)架上懸掛馬道部位,在t=491s時(shí),馬道部位的最小位移為-83.13mm,最大位移依然位于懸掛玻璃幕墻的南側邊緣,為85.923mm。

 

    
(a) 室溫下網(wǎng)架結構z向位移
(b)t=491s時(shí)溫度場(chǎng)分布情況
圖4 不同溫度下網(wǎng)架變形情況

 

 

4.2 網(wǎng)架應力

室溫(20oC)狀態(tài)下,在重力荷載作用下網(wǎng)架結構中的桿件均沒(méi)有屈服,最大拉應力為,位于荷載較大的馬道部位。隨著(zhù)溫度的升高,鋼材屈服強度降低,溫度荷載較大的區域中桿件發(fā)生屈服,t=300s時(shí),網(wǎng)架結構中出現塑性應變,桿件發(fā)生屈服,最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.305 。隨著(zhù)溫度場(chǎng)分布的不斷變化,t=917s時(shí),最大塑性應變發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東南側構件中,最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.0296。t=1343s時(shí),最大塑性應變發(fā)生在網(wǎng)架東北側的構件中,最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.0031。在整個(gè)火災過(guò)程中,網(wǎng)架結構的最大塑性應變?yōu)?/span>0.0075,發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東北側。

5 分析結果與現場(chǎng)檢測結果對比

火災后現場(chǎng)檢測結果顯示,位于東側的1、2、3號滑動(dòng)支座火損較為嚴重,網(wǎng)架與支座脫開(kāi)。從ANSYS分析結果可知,1、2、3號支座分別在t=491s、t=426s、t=360s時(shí),在x方向的位置偏差超過(guò)了支座允許偏差量,從而使得支座發(fā)生破壞;整個(gè)火災過(guò)程中,三個(gè)滑動(dòng)支座Y向位置偏差均在允許范圍內,沒(méi)有發(fā)生Y方向的破壞。1、2、3號滑動(dòng)支座分析結果見(jiàn)表1。

 

表1  火災過(guò)程中部分滑動(dòng)支座火損情況

 

                                    

檢測結果顯示,網(wǎng)架東側受火災影響較為嚴重,位于網(wǎng)架東側的部分桿件軸線(xiàn)彎曲偏差超過(guò)《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》(GB 50205-2001[4]的允許值。圖5顯示了ANSYS分析的到的網(wǎng)架東側下弦桿件在溫度荷載作用下的變形圖,可以看出ANSYS分析結果與現場(chǎng)檢測結果具有相似的規律性。

 

    
(a)  ANSYS分析結果
   
(b) 現場(chǎng)檢測結果   
圖5  網(wǎng)架下弦桿件局部變形圖

 

 

6

本文根據工程實(shí)際情況,建立了網(wǎng)架結構有限元模型,并對網(wǎng)架在升降溫過(guò)程中的變形及應力分布進(jìn)行了研究,得到如下結論:

1 溫度場(chǎng)的分布情況對網(wǎng)架結構的變形及應變有較為明顯的影響。從本文的分析結果來(lái)看,隨著(zhù)溫度場(chǎng)分布的變化,網(wǎng)架結構的最小豎向位移向溫度大、荷載大的部位移動(dòng);結構的塑性應變也隨著(zhù)溫度場(chǎng)的變化而變化。

2 由于溫度荷載主要集中在網(wǎng)架的東側,在溫度荷載作用下,東側網(wǎng)架桿件變形較大,導致東側網(wǎng)架邊緣的三個(gè)滑動(dòng)支座X方向的位移偏差量超過(guò)允許值,發(fā)生破壞。

3)網(wǎng)架結構火災全過(guò)程有限元分析結果與現場(chǎng)檢測結果基本一致,表明本文建立的有限元模型具有一定的正確性。

4)本文分析方法為網(wǎng)架結構在溫度荷載作用下的受力變形性能分析提供可行的方法,為火災后網(wǎng)架結構的修復與加固給出一定的參考。

參考文獻

[1] 杜詠,李國強.考慮支座約束影響的網(wǎng)架結構抗火性能[J]. 自然災害學(xué)報,2008,17(5):5~15.

[2] 邱林波.空間網(wǎng)格結構火災下的力學(xué)性能研究[D]. 北京:北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.

[3] 鄒文平.火災升降溫及災后全過(guò)程網(wǎng)架結構力學(xué)性能分析[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版),2010,35(6):38~43.

[4] 白音,石永久,王元清.火災中網(wǎng)架結構受力分析與設計方法[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2011,28(2):113~118.

[5] GB/T 17955-2000. 球型支座技術(shù)條件[S]. 北京:國家質(zhì)量技術(shù)監督局,2001.

[6] PREN 1993-1-2:04/2003. Eurocode 3: design of steel structures. part1.2: General rules structural fire

design[S]. European Committee for Stantardisation, 2003.

[7] CECS 200:2006. 建筑鋼結構防火技術(shù)規范[S]. 北京:中國工程建設標準化協(xié)會(huì )行業(yè)標準, 2006.

[8] GB 50205-2001. 鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范[S]. 北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局,中華人民共和國建設部, 2002.

 (北京建筑工程學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院,北京 10044

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