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空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗火性能模擬分析

作者:趙斌 劉棟棟 劉娜    
時間:2013-05-06 16:05:33 [收藏]
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(zāi)模
    關(guān)鍵詞:

    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(zāi)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(xué)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(yīng)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(xué)宮,網(wǎng)架尺寸及高度達(dá)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(shè)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(shè)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(zhǔn)確設(shè)置端部約束[3]。近年來,性能化設(shè)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(zhǔn)確性,已逐漸得到了國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)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(jìn)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(jìn)行分析,認(rèn)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(zāi)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(zāi)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(jìn)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(zāi)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(zāi),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?zāi)后經(jīng)現(xiàn)場檢測,建筑物過火面積達(dá)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(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火性能研究,圖1為網(wǎng)架區(qū)域分布圖。
     

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    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
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    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(xué)檢驗,并考慮到實用性,可以近似認(rèn)為該參數(shù)不隨溫度而改變,在研究時將其設(shè)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(shè)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(xué)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(yīng)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)
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    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(dá)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)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)
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    圖2 不同溫度下鋼材應(yīng)力-應(yīng)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(jìn)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(zāi)過程中溫度變化情況。通過對室內(nèi)火災(zāi)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(jìn)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。

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    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(jìn)行處理。式1給出了計算方法[9]。

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          依據(jù)公式1,繪制了經(jīng)處理后對應(yīng)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(xì)分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在常溫和高溫情況下的力學(xué)性能。

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    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(xué)分析,薄壁鋼管內(nèi)外表面溫差相差很小,認(rèn)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(shè)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(fēng)管荷載。

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    圖5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常溫下桿件應(yīng)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(yīng)力云圖及沿豎直方向桿件的位移圖,如圖5、圖6所示。

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    圖6 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常溫下桿件豎向位移分布圖(mm)


          由應(yīng)力云圖可以看出,網(wǎng)架總體應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到鋼材的屈服強度,結(jié)構(gòu)應(yīng)力值分布較為均勻。最大應(yīng)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(yīng)力及豎向位移云圖。
    從應(yīng)力圖7中能夠看到,桿件的最大應(yīng)力值已達(dá)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(yīng)力??偟膩碚f,桿件的應(yīng)力值均較常溫有所增加。作者認(rèn)為原因如下:
          1)溫度場因素
          火災(zāi)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)力過大現(xiàn)象。

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    圖7 高溫下網(wǎng)架桿件應(yīng)力云圖(MPa)

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    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(yīng)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(jìn)而嚴(yán)重影響網(wǎng)架的局部承載能力。
    根據(jù)火災(zāi)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(dá)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(dá)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(rèn)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(rèn)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。

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    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(yīng)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(yīng)力值幅度增加較大,某些桿件已進(jìn)入塑性階段。
          對撓度而言,遠(yuǎn)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(yán)重的現(xiàn)象,可以通過適當(dāng)減小支座剛度的方法來加以改善,這樣會使溫度應(yīng)力得到有效釋放。
          2)通過判定準(zhǔn)則可知,網(wǎng)架在火災(zāi)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(hù)層概念,并通過公式1將施加在結(jié)構(gòu)上的溫度進(jìn)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(xiàn)[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(fù)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(xiàn)[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(jìn)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(shè)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(xué)院,北京 100044;2.北京市市政工程設(shè)計研究總院,北京 100082)

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