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空间网架结构抗火性能模拟分析
发布时间:2013-7-12 10:47:14 | 人感兴趣 | 评分:3 | 收藏:
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摘 要:基于试验的结构抗火研究适用于中小型构件,但对于大型空间结构采用试验的方法是不现实的。大型空间结构的热-力耦合分析是一种有效的性能化抗火分析方法。本文以某实际工程网架结构为依托,通过利用FDS火灾模拟计算软件分析网架空间位置温度-时间曲线,考虑了防火涂料对钢材实际受热温度的影响,并采用ABAQUS有限元软件,分析在热-力耦合作用下网架结构的力学性能。通过对网架结构在常温和高温时内力和位移参数的对比分析研究,并结合高温下整体结构承载能力的评估方法,对过火结构的损伤做出判定,分析计算结果与过火结构现场检验符合较好。
关键词:空间网架;温度;热-力耦合;抗火


      1 引言
      空间钢网架结构已在建筑领域得到广泛应用。我国上海体育馆采用直径110m 大面积网架结构作为屋面的支撑体系;现已建成的天津科学宫,网架尺寸及高度达到 ,而用钢量仅为6.3 ;我国深圳国际机场航站楼屋顶部分的设计,同样采用了网架支撑这一结构形式[1]。
      钢网架结构体系的快速发展,得利于其具有较好的结构多样性和规律性,易于组装使用;可以在用料较少的条件下制作出大跨度的建筑;并且具有简单易懂,设计计算简便等优势。然而,对钢结构而言,耐火性能差是其最大的缺陷。


      目前,研究结构抗火性能的主要方法是制作单个构件的抗火试验,而后通过试验数据归纳承重构件受火时的内力状况[2]。但这种方法只局限于构件本身,未考虑周围杆件对其作用,而且也很难准确设置端部约束[3]。近年来,性能化设计及评价结构抗火能力的方法发展迅速。因其具有真实、准确性,已逐渐得到了国内外学者的认可[4]。
      杜咏、李国强[5]利用有限元软件对不同约束刚度网架的抗火性能进行研究,提出了随着支座刚度的下降,网架结构的抗火能力会有提高。李耀庄、朱国朋[6]等使用ANASYS软件对某大空间网架耐火性能进行分析,认为网架中某些杆件的损坏不会影响整体结构继续承受外载。尹越、袁铁柱等[7]采用FDS软件确定某厂房内部火灾发生时空间温度分布状况,其模拟结果与实测数据符合较好,验证了FDS软件对火灾温度场模拟的实用性。
虽然人们利用性能化方法已取得一些研究成果,但仍有需要改进的方面和积累更多实例素材的必要。本文从实际工程出发,利用FDS软件模拟室外火灾发生时的结构空间温度场。作者在考虑防火涂料的作用下,采用ABAQUS非线性数值分析软件模拟空间网架在常温及高温下结构的内力和变形情况。
      2 研究背景
      2009年2月,在建的某工程发生重大火灾,起因是由于烟花火星散落在屋顶易燃的保温材料上而引起火苗,以致酿成大火。火灾后经现场检测,建筑物过火面积达到8490m2,直接造成经济损失约16383万元。
      本文选取C区网架进行结构抗火性能研究,图1为网架区域分布图。
 


图1 网架区域分布图


      C区网架结构位于主楼东侧19~27层,网架高度46.4m,跨度为39.59m,网格形式为双层正放四角锥网架结构,上下弦规则网格的边长为3~3.5m,单元网格厚度3.52m。该网架由六种不同规格的空心圆管组成,具体尺寸及数目详见表1。

表1  网架杆件尺寸及数量详表
 

注:乘号前为钢管外径,其后为钢管壁厚。尺寸单位:mm
      3.1 钢材的热工性能
      1、钢材的膨胀系数及密度

钢材的膨胀系数虽略受温度变化影响,但经过科学检验,并考虑到实用性,可以近似认为该参数不随温度而改变,在研究时将其设为常数。我国规范即采用此种方法。
本文根据《钢结构设计规范》,定义材料的膨胀系数为 。而钢材的密度是不随温度变化的量,取常温数值 。
      3.2 钢材的力学性能
   钢材是非燃烧材料,但其具有不耐火的特性。在高温状态下,材料的强度和刚度都会发生显著的下降。
      1、材料的弹性模量和泊松比
      经试验确定,钢材的弹性模量随温度的上升而下降。对于不同种类的钢材,各国规范给出了相应的计算公式。针对本文研究钢材为Q345级结构钢,采用欧洲EC3规范来确定弹性模量。表2为结构钢高温下弹性模量降低系数。

表2 结构钢高温下弹性模量降低系数

 

钢材的泊松系数受温度的影响很小,可不考虑其随温度的变化,取为0.3。
      2、材料的屈服强度
      对普通结构钢而言,其屈服强度随温度的上升而降低。在温度达到300 时,材料已无明显的屈服平台。因此,研究者通常采用钢材的名义屈服强度来代替真实屈服强度。为使结构有足够的安全储备,作者将材料的比例极限强度定义为钢材高温下的屈服强度。钢材的高温强度降低系数在表3中列出。
      3、材料的应力-应变关系
      描述钢材高温下的本构关系模型有很多种,其中以分段直线模型较为简单常用,但其与材料真实的本构曲线相差较大,故一般情况下不建议使用直线模型。文中采用欧洲EC3规范介绍的材料应力-应变关系计算模型[8]。具体计算模型形式如图2所示。

表3 结构钢高温下强度降低系数


图2 不同温度下钢材应力-应变关系曲线


      4 空间网架结构温度场计算方法
      4.1 网架环境温度的确定
      该网架结构区域范围较大,在温度计算时不能采用区域模型进行结构温度研究,宜使用场模型来确定网架各位置的温度数值。
为使研究模型与实际情况相符,利用FDS软件来确定网架各节点在火灾过程中温度变化情况。通过对室内火灾荷载的调查及结构损伤程度的检测,将实际计算参数输入软件中,得到网架425个节点温度随时间变化曲线,图3绘出了其中15个节点的温度变化曲线。
      4.2 钢管杆件表面温度确定
      网架钢杆件表面喷涂有薄涂型防火材料。由于涂料的隔热作用,钢管表面的温度值比环境温度要小,在利用ABAQUS软件分析结构高温下受力性能时,需要对环境温度进行相关处理。而后,将处理得到的杆件表面温度以边界条件的形式施加到结构上。


图3 网架结构部分节点环境温度变化曲线图


      对于有薄涂型防火涂料结构面层温度的计算,采用增量形式进行处理。式1给出了计算方法[9]。


      依据公式1,绘制了经处理后对应的15个节点钢管表面温度变化曲线,如图4所示。
      5 网架结构受力性能分析
      常温下,由于空间网架结构单元形式规则,空间连接紧密,整体稳定性能良好,不会因局部杆件的破坏而发生整体倒塌。然而,在高温状态下,网架杆件会受温度的上升而膨胀,受力性能和结构的稳定将发生变化。基于此点,本文将详细分析网架结构在常温和高温情况下的力学性能。


图4 网架结构部分节点杆件表面温度变化曲线图

 

5.1 常温下网架受力分析
      经传热学分析,薄壁钢管内外表面温差相差很小,认为温度沿截面均匀分布。鉴于高温下杆件易发生弯曲的特性,文中采用网架梁系计算模型。在ABAQUS有限元分析软件中使用单元类型为B32的梁单元来建立网架模型;截面形状及材料属性按文中规定的参数输入;支座种类按照设计图纸,采用固接和铰接组合连接;作用在网架上的荷载包括杆件自重、网架内外表面分布荷载及风管荷载。


图5 网架结构常温下杆件应力分布图(MPa)

经计算分析,得到常温下网架在外载作用时杆件Mises应力云图及沿竖直方向杆件的位移图,如图5、图6所示。


图6 网架结构常温下杆件竖向位移分布图(mm)


      由应力云图可以看出,网架总体应力值远远未到钢材的屈服强度,结构应力值分布较为均匀。最大应力出现在网架上部靠近支座附近位置,其值为133.4MPa。
      从竖向位移云图能够看出,网架结构挠度呈现出中部大,两侧小的分布情况,最大挠度量为14.55mm。这主要是由于网架跨度较大,中部杆件受到支座约束的能力减弱,无法有效的限制杆件的位移所致。
      5.2 高温下网架受力分析
      在施加温度边界条件后,得到网架在高温状态下的应力及竖向位移云图。
从应力图7中能够看到,杆件的最大应力值已达到423.5MPa,出现在网架的角部;此外,网架结构支座附近的杆件具有较大的应力。总的来说,杆件的应力值均较常温有所增加。作者认为原因如下:
      1)温度场因素
      火灾发生的位置及蔓延路径对温度场的分布影响很大,而温度会直接影响材料属性。由于火势沿外部装饰材料燃烧,外层网架温度比内层网架温度要高,右侧边缘杆件温度比跨中杆件温度要高。这使得右侧外部边缘的杆件内力值较大。
      2)材料因素
      由3.2节可知,温度的上升导致材料的刚度和强度均有显著的降低。在相同荷载作用下,刚度的降低会使杆件的变形增加,而多余的变形又会增大杆件的附加内力。
      3)约束原因
      对于超静定结构来说,温度效应是不能忽视的。对于结构中部的杆件,由于受到支座约束较弱,在温度作用下可以有一定程度的自由伸缩。而这种自由性会使杆件的附加内力增大幅度降低,而且材料的软化也会降低多余内力的影响。
      而网架边缘靠近支座的杆件具有较大的约束刚度,在杆件膨胀过程中无法通过有效的伸缩来释放能量,就会使杆件截面内力持续积累,造成局部应力过大现象。


图7 高温下网架杆件应力云图(MPa)


图8为网架高温下杆件竖向位移分布云图。


      从网架挠度分布云图中能够看出,沿竖直方向杆件挠度逐步增大;在某些局部位置(如右上角部)杆件受到的温度效应较大,而且端部受到支座的约束较强,使得一些与固定支座连接的杆件发生偏大的挠度值,进而严重影响网架的局部承载能力。
根据火灾下整体结构承载能力的判定依据[10]:
      1)结构整体丧失稳定性
      2)结构的整体变形达到无法承受荷载的限值,即最大挠度 与结构跨度 之比大于 。
      由上述判据及网架达到最高温度时的挠度值可知:网架跨中挠度最大值为102.7mm,与该位置的跨度之比小于此限值,可认为结构仍有承载能力。
      但从图8中能够知道,网架局部杆件挠度值过大,已超过杆件承载力判据。因此,可以这样认为:网架结构在受火过程中,虽有一些杆件退出工作,但其整体结构依然具有承载能力。


图8 高温下网架杆件竖向位移云图(mm)


      6.结 论
      基于上述对网架结构抗火性能研究,能够得到一些较有意义的结论:
      1)与常温相比,高温下网架中部杆件的应力值有所增加,但增加幅度不大;而在端部与支座连接的区域内杆件的应力值幅度增加较大,某些杆件已进入塑性阶段。
      对挠度而言,远离支座的杆件在高温下挠度值较常温时增大5倍左右。而支座附近杆件高温下挠度增加幅度比跨中杆件挠度增加幅度更大。
对于支座附近杆件破坏严重的现象,可以通过适当减小支座刚度的方法来加以改善,这样会使温度应力得到有效释放。
      2)通过判定准则可知,网架在火灾过程中整体性能良好,虽有部分杆件出现了较大的破坏变形,但多数杆件依旧可以承受荷载,这体现出此种结构形式有很好的抗火性能。
      3)与已有多数空间结构抗火研究相比,本文网架结构抗火性能分析引入了保护层概念,并通过公式1将施加在结构上的温度进行了处理,这样做可与实际工程相符,更加具有研究价值。
      4)在研究方法上,文献[10]是将温度作为节点荷载施加到网架上,材料高温属性取升温后的钢材性能。这种方法虽较为简便,避免了热-力耦合的复杂操作过程,但该研究具有阶段性,没有使结构的受力性能随温度连续性变化,与实际情况有一定出入。
      文献[11]是将最大环境温度施加在某些主要的受力区域,即采用区域模型进行网架受火分析。对大空间结构而言,火场中各位置的温度是不同的,若设置为相同温度会影响杆件的膨胀变形,使结果出现偏差。
      而作者采用空间温度场和热-力耦合的研究方式既考虑到大空间下温度分布的不均匀性,又使得结构的受力随温度持续变化,与真实情况更为相符。
      赵  斌1  刘栋栋1  刘  娜2(1.北京建筑工程学院,北京 100044;2.北京市市政工程设计研究总院,北京 100082)

      参考文献
      [1]杨文柱. 网架结构制作与施工[M].北京:机械工业出版社,2005.
      [2]李晓东,董毓利,丛术平.H型截面钢梁抗火试验研究[J].建筑结构.2006.8.
      [3]刘现鹏. 钢结构构件在火灾下的温度场分析与热-结构耦合计算[D].山东建筑大学硕士学位论文.2007.5.
      [4]Johann M A, Albano L D, Fitzgerald R W, et al. Performance-based structural fire safety[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2006, 20.
      [5]杜咏,李国强.网架结构抗火性能受支座约束的影响[J].华侨大学学报:自然科学版,2008,30(4).
      [6]李耀庄、朱国朋等.大空间钢网架结构的性能化抗火分析[J].消防科学与技术.2008.6.
      [7]尹越,袁铁柱,陈志华,刘杰.某空间网壳结构火灾过程数值模拟及损伤评估[J].土木工程学报.2010.8
      [8]European Committee for Standardization, ENV 1993-1-2, Euro code3, Design of Steel Structure, Part1.2: Structural Fire Design, 1993.
      [9]李国强,韩林海,楼国彪,蒋首超.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M].北京:中国工业建筑出版社.2006.
      [10]邱林波.空间网格结构火灾下的力学性能研究[D].北京工业大学博士学位论文.2010.5.
      [11]张超,殷颖智,罗明纯.新建昆明国际机场航站楼屋顶网架结构的抗火研究与设计[J].建筑钢结构进展.2009.10.
 

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