鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)論文
中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：基于試驗的結(jié)構(gòu)抗火研究適用于中小型構(gòu)件，但對于大型空間結(jié)構(gòu)采用試驗的方法是不現(xiàn)實的。大型空間結(jié)構(gòu)的熱-力耦合分析是一種有效的性能化抗火分析方法。本文以某實際工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為依托，通過利用FDS火災模擬計算軟件分析網(wǎng)架空間位置溫度-時間曲線，考慮了防火涂料對鋼材實際受熱溫度的影響，并采用ABAQUS有限元軟件，分析在熱-力耦合作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學性能。通過對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在常溫和高溫時內(nèi)力和位移參數(shù)的對比分析研究，并結(jié)合高溫下整體結(jié)構(gòu)承載能力的評估方法，對過火結(jié)構(gòu)的損傷做出判定，分析計算結(jié)果與過火結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢驗符合較好。
關(guān)鍵詞：空間網(wǎng)架；溫度；熱-力耦合；抗火
1 引言
空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已在建筑領(lǐng)域得到廣泛應用。我國上海體育館采用直徑110m 大面積網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為屋面的支撐體系；現(xiàn)已建成的天津科學宮，網(wǎng)架尺寸及高度達到 
，而用鋼量僅為6.3 ；我國深圳國際機場航站樓屋頂部分的設計，同樣采用了網(wǎng)架支撐這一結(jié)構(gòu)形式[1]。
鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系的快速發(fā)展，得利于其具有較好的結(jié)構(gòu)多樣性和規(guī)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(yōu)勢。然而，對鋼結(jié)構(gòu)而言，耐火性能差是其最大的缺陷。
目前，研究結(jié)構(gòu)抗火性能的主要方法是制作單個構(gòu)件的抗火試驗，而后通過試驗數(shù)據(jù)歸納承重構(gòu)件受火時的內(nèi)力狀況[2]。但這種方法只局限于構(gòu)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(jié)構(gòu)抗火能力的方法發(fā)展迅速。因其具有真實、準確性，已逐漸得到了國內(nèi)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(wǎng)架的抗火性能進行研究，提出了隨著支座剛度的下降，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗火能力會有提高。李耀莊、朱國朋[6]等使用ANASYS軟件對某大空間網(wǎng)架耐火性能進行分析，認為網(wǎng)架中某些桿件的損壞不會影響整體結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受外載。尹越、袁鐵柱等[7]采用FDS軟件確定某廠房內(nèi)部火災發(fā)生時空間溫度分布狀況，其模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)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。本文從實際工程出發(fā)，利用FDS軟件模擬室外火災發(fā)生時的結(jié)構(gòu)空間溫度場。作者在考慮防火涂料的作用下，采用ABAQUS非線性數(shù)值分析軟件模擬空間網(wǎng)架在常溫及高溫下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況。
2 研究背景
2009年2月，在建的某工程發(fā)生重大火災，起因是由于煙花火星散落在屋頂易燃的保溫材料上而引起火苗，以致釀成大火?；馂暮蠼?jīng)現(xiàn)場檢測，建筑物過火面積達到8490m2，直接造成經(jīng)濟損失約16383萬元。
本文選取C區(qū)網(wǎng)架進行結(jié)構(gòu)抗火性能研究，圖1為網(wǎng)架區(qū)域分布圖。
圖1 網(wǎng)架區(qū)域分布圖
C區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)位于主樓東側(cè)19～27層，網(wǎng)架高度46.4m，跨度為39.59m，網(wǎng)格形式為雙層正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，上下弦規(guī)則網(wǎng)格的邊長為3～3.5m，單元網(wǎng)格厚度3.52m。該網(wǎng)架由六種不同規(guī)格的空心圓管組成，具體尺寸及數(shù)目詳見表1。
表1 網(wǎng)架桿件尺寸及數(shù)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(shù)及密度
鋼材的膨脹系數(shù)雖略受溫度變化影響，但經(jīng)過科學檢驗，并考慮到實用性，可以近似認為該參數(shù)不隨溫度而改變，在研究時將其設為常數(shù)。我國規(guī)范即采用此種方法。
本文根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，定義材料的膨脹系數(shù)為
。而鋼材的密度是不隨溫度變化的量，取常溫數(shù)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。在高溫狀態(tài)下，材料的強度和剛度都會發(fā)生顯著的下降。
1、材料的彈性模量和泊松比
經(jīng)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(guī)范給出了相應的計算公式。針對本文研究鋼材為Q345級結(jié)構(gòu)鋼，采用歐洲EC3規(guī)范來確定彈性模量。表2為結(jié)構(gòu)鋼高溫下彈性模量降低系數(shù)。
表2 結(jié)構(gòu)鋼高溫下彈性模量降低系數(shù)
鋼材的泊松系數(shù)受溫度的影響很小，可不考慮其隨溫度的變化，取為0.3。
2、材料的屈服強度
對普通結(jié)構(gòu)鋼而言，其屈服強度隨溫度的上升而降低。在溫度達到300 時，材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(jié)構(gòu)有足夠的安全儲備，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(shù)在表3中列出。
3、材料的應力-應變關(guān)系
描述鋼材高溫下的本構(gòu)關(guān)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(gòu)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(guī)范介紹的材料應力-應變關(guān)系計算模型[8]。具體計算模型形式如圖2所示。
表3 結(jié)構(gòu)鋼高溫下強度降低系數(shù)
圖2 不同溫度下鋼材應力-應變關(guān)系曲線
4 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)溫度場計算方法
4.1 網(wǎng)架環(huán)境溫度的確定
該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)區(qū)域范圍較大，在溫度計算時不能采用區(qū)域模型進行結(jié)構(gòu)溫度研究，宜使用場模型來確定網(wǎng)架各位置的溫度數(shù)值。
為使研究模型與實際情況相符，利用FDS軟件來確定網(wǎng)架各節(jié)點在火災過程中溫度變化情況。通過對室內(nèi)火災荷載的調(diào)查及結(jié)構(gòu)損傷程度的檢測，將實際計算參數(shù)輸入軟件中，得到網(wǎng)架425個節(jié)點溫度隨時間變化曲線，圖3繪出了其中15個節(jié)點的溫度變化曲線。
4.2 鋼管桿件表面溫度確定
網(wǎng)架鋼桿件表面噴涂有薄涂型防火材料。由于涂料的隔熱作用，鋼管表面的溫度值比環(huán)境溫度要小，在利用ABAQUS軟件分析結(jié)構(gòu)高溫下受力性能時，需要對環(huán)境溫度進行相關(guān)處理。而后，將處理得到的桿件表面溫度以邊界條件的形式施加到結(jié)構(gòu)上。
圖3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分節(jié)點環(huán)境溫度變化曲線圖
對于有薄涂型防火涂料結(jié)構(gòu)面層溫度的計算，采用增量形式進行處理。式1給出了計算方法[9]。
依據(jù)公式1，繪制了經(jīng)處理后對應的15個節(jié)點鋼管表面溫度變化曲線，如圖4所示。
5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力性能分析
常溫下，由于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單元形式規(guī)則，空間連接緊密，整體穩(wěn)定性能良好，不會因局部桿件的破壞而發(fā)生整體倒塌。然而，在高溫狀態(tài)下，網(wǎng)架桿件會受溫度的上升而膨脹，受力性能和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定將發(fā)生變化?；诖它c，本文將詳細分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在常溫和高溫情況下的力學性能。
圖4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分節(jié)點桿件表面溫度變化曲線圖
5.1 常溫下網(wǎng)架受力分析
經(jīng)傳熱學分析，薄壁鋼管內(nèi)外表面溫差相差很小，認為溫度沿截面均勻分布。鑒于高溫下桿件易發(fā)生彎曲的特性，文中采用網(wǎng)架梁系計算模型。在ABAQUS有限元分析軟件中使用單元類型為B32的梁單元來建立網(wǎng)架模型；截面形狀及材料屬性按文中規(guī)定的參數(shù)輸入；支座種類按照設計圖紙，采用固接和鉸接組合連接；作用在網(wǎng)架上的荷載包括桿件自重、網(wǎng)架內(nèi)外表面分布荷載及風管荷載。
圖5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常溫下桿件應力分布圖(MPa)
經(jīng)計算分析，得到常溫下網(wǎng)架在外載作用時桿件Mises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(wǎng)架結(jié)構(gòu)常溫下桿件豎向位移分布圖（mm）
由應力云圖可以看出，網(wǎng)架總體應力值遠遠未到鋼材的屈服強度，結(jié)構(gòu)應力值分布較為均勻。最大應力出現(xiàn)在網(wǎng)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度呈現(xiàn)出中部大，兩側(cè)小的分布情況，最大撓度量為14.55mm。這主要是由于網(wǎng)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(wǎng)架受力分析
在施加溫度邊界條件后，得到網(wǎng)架在高溫狀態(tài)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，出現(xiàn)在網(wǎng)架的角部；此外，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(fā)生的位置及蔓延路徑對溫度場的分布影響很大，而溫度會直接影響材料屬性。由于火勢沿外部裝飾材料燃燒，外層網(wǎng)架溫度比內(nèi)層網(wǎng)架溫度要高，右側(cè)邊緣桿件溫度比跨中桿件溫度要高。這使得右側(cè)外部邊緣的桿件內(nèi)力值較大。
2）材料因素
由3.2節(jié)可知，溫度的上升導致材料的剛度和強度均有顯著的降低。在相同荷載作用下，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(nèi)力。
3）約束原因
對于超靜定結(jié)構(gòu)來說，溫度效應是不能忽視的。對于結(jié)構(gòu)中部的桿件，由于受到支座約束較弱，在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(nèi)力增大幅度降低，而且材料的軟化也會降低多余內(nèi)力的影響。
而網(wǎng)架邊緣靠近支座的桿件具有較大的約束剛度，在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(nèi)力持續(xù)積累，造成局部應力過大現(xiàn)象。
圖7 高溫下網(wǎng)架桿件應力云圖(MPa)
圖8為網(wǎng)架高溫下桿件豎向位移分布云圖。
從網(wǎng)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；在某些局部位置（如右上角部）桿件受到的溫度效應較大，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(fā)生偏大的撓度值，進而嚴重影響網(wǎng)架的局部承載能力。
根據(jù)火災下整體結(jié)構(gòu)承載能力的判定依據(jù)[10]：
1）結(jié)構(gòu)整體喪失穩(wěn)定性
2）結(jié)構(gòu)的整體變形達到無法承受荷載的限值，即最大撓度 與結(jié)構(gòu)跨度 之比大于 。
由上述判據(jù)及網(wǎng)架達到最高溫度時的撓度值可知：網(wǎng)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(jié)構(gòu)仍有承載能力。
但從圖8中能夠知道，網(wǎng)架局部桿件撓度值過大，已超過桿件承載力判據(jù)。因此，可以這樣認為：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在受火過程中，雖有一些桿件退出工作，但其整體結(jié)構(gòu)依然具有承載能力。
圖8 高溫下網(wǎng)架桿件豎向位移云圖(mm)
6．結(jié) 論
基于上述對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗火性能研究，能夠得到一些較有意義的結(jié)論：
1）與常溫相比，高溫下網(wǎng)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(qū)域內(nèi)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?lián)隙戎递^常溫時增大5倍左右。而支座附近桿件高溫下?lián)隙仍黾臃缺瓤缰袟U件撓度增加幅度更大。
對于支座附近桿件破壞嚴重的現(xiàn)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(wǎng)架在火災過程中整體性能良好，雖有部分桿件出現(xiàn)了較大的破壞變形，但多數(shù)桿件依舊可以承受荷載，這體現(xiàn)出此種結(jié)構(gòu)形式有很好的抗火性能。
3）與已有多數(shù)空間結(jié)構(gòu)抗火研究相比，本文網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗火性能分析引入了保護層概念，并通過公式1將施加在結(jié)構(gòu)上的溫度進行了處理，這樣做可與實際工程相符，更加具有研究價值。
4）在研究方法上，文獻[10]是將溫度作為節(jié)點荷載施加到網(wǎng)架上，材料高溫屬性取升溫后的鋼材性能。這種方法雖較為簡便，避免了熱-力耦合的復雜操作過程，但該研究具有階段性，沒有使結(jié)構(gòu)的受力性能隨溫度連續(xù)性變化，與實際情況有一定出入。
文獻[11]是將最大環(huán)境溫度施加在某些主要的受力區(qū)域，即采用區(qū)域模型進行網(wǎng)架受火分析。對大空間結(jié)構(gòu)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(jié)果出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的受力隨溫度持續(xù)變化，與真實情況更為相符。
趙 斌1 劉棟棟1 劉 娜2（1.北京建筑工程學院，北京 100044；2.北京市市政工程設計研究總院，北京 100082）
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