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基于FDS溫度場的大空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)火災全過程分析

作者:李國華 劉棟棟 張遠青    
時間:2013-12-03 11:07:59 [收藏]
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是大空間建筑的一種重要結(jié)構(gòu)形式,對其進行火災下的受力性能分析是結(jié)構(gòu)抗火設計必不可少的一部分。本文以某重大工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為研究對象,以FDS模擬得到的溫度場為實際受火過程,運用ANSYS有
    關鍵詞:

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

     

    關鍵詞:網(wǎng)架結(jié)構(gòu),溫度場,升降溫,受力特性

     

    網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是大跨大空間結(jié)構(gòu)的一種形式,具有節(jié)約鋼材,整體性好,制作安裝快捷,造型優(yōu)美等優(yōu)點,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(jié)構(gòu)進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(nèi)外對網(wǎng)架的研究主要集中在結(jié)構(gòu)靜力與動力性能上,對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗火性能的研究還處于初步階段。杜詠[1]過對受支座約束的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在非均勻溫度場中的力學反應進行了分析,得出了支座約束剛度、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗剪剛度等因素對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)臨界溫度的影響規(guī)律,提出了考慮支座約束影響的正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)臨界溫度的計算方法。邱林波[2]采用ABAQUS對火災下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學性能進行了研究,分析了不同火源模型和不同結(jié)構(gòu)參

    數(shù)對火災下結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的影響,提出火災下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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程及火災后網(wǎng)架力學性能分析的有限元模型,對火災全過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變形,內(nèi)力重分布及火災后承載力進行了研究。白音[4]等對高溫下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了非線性分析,并提出了采用修正的擬夾層板法估算網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在火災下的最大位移。

    以前的研究均為基于假設溫度場下的網(wǎng)架抗火性能研究,其結(jié)果的正確性需進一步驗證。本文以某重大工程為研究背景,根據(jù)火災現(xiàn)場情況,結(jié)合FDS模擬得到的結(jié)構(gòu)溫度場分布,對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行火災全過程非線性有限元分析,得到了升降溫過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體受力及變形特性。有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果相吻合,表明本文建立的火災全過程有限元模性的正確性。分析結(jié)果為災后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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91.55m,寬78.925m,為雙層正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。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(guī)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進行劃分,網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)架有限元模型見圖1

     

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

     

     

    1.2 荷載情況

    施加在網(wǎng)架上的荷載按照火災發(fā)生時的實際情況選取定?;馂陌l(fā)生時,作用在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的實際荷載有構(gòu)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(jié)構(gòu)分析時不考慮活荷載的作用。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元模型及荷載分布情況見圖1

    1.3 網(wǎng)架支座情況

    網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中支座分兩種類型:固定鉸支座與滑動鉸支座。固定鉸支座約束三向位移,允許空間自由轉(zhuǎn)動,最大允許轉(zhuǎn)角為0.02rad?;瑒又ё患s束豎向位移,允許在水平面內(nèi)雙向自由滑動,允許空間自由轉(zhuǎn)動,最大允許轉(zhuǎn)角為0.025rad;支座設雙向限位裝置,滑動后的承載力重心與球型轉(zhuǎn)動面中心對齊。

    根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中各滑動支座的情況,結(jié)合GB/T 17955-2000《球型支座技術條件》[5]相應規(guī)定,在ANSYS中采用彈簧單元combin39來建立滑動支座模型,通過設定相應的荷載位移曲線來模擬滑動支座在平面內(nèi)自由滑動的特性。

    2 高溫下鋼材特性

    2.1 高溫下鋼材的應力應變關系

    網(wǎng)架構(gòu)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性隨動強化模型,高溫下和高溫后的鋼材應力應變關系按歐洲規(guī)范EC3:Part 1.26的約定選取,高溫下鋼材的應力應變曲線見圖2。

     

    \ 
    圖2  高溫下鋼材應力應變曲線(大空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu))

     

     

    2.2 高溫下鋼材的物理特性

    高溫下鋼材的物理特性根據(jù)CECS 200:2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術規(guī)范》[7]相關規(guī)定選取。鋼材的熱膨脹系數(shù)取\,鋼材密度為7850 ,泊松比為0.3。

    3 網(wǎng)架溫度場分布

    作用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的溫度場通過火災現(xiàn)場調(diào)查并利用FDS軟件模擬得到。根據(jù)網(wǎng)架構(gòu)件防火涂層的特性(防火涂層的導熱系數(shù)\,厚度為4mm,密度\及《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術規(guī)范規(guī)范》(CECS 200:2006)的相關規(guī)定,計算得到網(wǎng)架節(jié)點溫度,通過APDL二次開發(fā)程序,將溫度以體荷載的形式施加在網(wǎng)架的各個節(jié)點?;馂纳郎剡^程中網(wǎng)架節(jié)點溫度分布情況見圖3

     

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    圖3 t=491s時網(wǎng)架溫度場分布情況(大空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu))

     

     

    火災過程中,溫度場在網(wǎng)架中的分布呈現(xiàn)不均勻性,火災主要集中在網(wǎng)架的中部、南側(cè)和東側(cè),網(wǎng)架西側(cè)基本沒有受到火災的影響。網(wǎng)架東南側(cè)構(gòu)件在t=491s時達到最高506 ,東北側(cè)構(gòu)件在t=4620s時達到551

    4分析結(jié)果

    4.1 網(wǎng)架變形

    在室溫(20oC)狀態(tài)下,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(cè)邊緣構(gòu)件。最小位移為-41.7mm,最大位移為16.9mm(圖4a))。隨著溫度的增加及溫度分布的變化,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最小豎向位移向著荷載及溫度較大的中心部位移動,最小豎向位移發(fā)生在網(wǎng)架上懸掛馬道部位,在t=491s時,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(cè)邊緣,為85.923mm

     

    \    
    (a) 室溫下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)z向位移
    \
    (b)t=491s時溫度場分布情況
    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(jié)構(gòu)中的桿件均沒有屈服,最大拉應力為\,位于荷載較大的馬道部位。隨著溫度的升高,鋼材屈服強度降低,溫度荷載較大的區(qū)域中桿件發(fā)生屈服,t=300s時,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性應變,桿件發(fā)生屈服,最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.305 。隨著溫度場分布的不斷變化,t=917s時,最大塑性應變發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東南側(cè)構(gòu)件中,最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.0296。t=1343s時,最大塑性應變發(fā)生在網(wǎng)架東北側(cè)的構(gòu)件中,最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.0031。在整個火災過程中,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(cè)。

    5 分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果對比

    火災后現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示,位于東側(cè)的1、2、3號滑動支座火損較為嚴重,網(wǎng)架與支座脫開。從ANSYS分析結(jié)果可知,12、3號支座分別在t=491s、t=426s、t=360s時,在x方向的位置偏差超過了支座允許偏差量,從而使得支座發(fā)生破壞;整個火災過程中,三個滑動支座Y向位置偏差均在允許范圍內(nèi),沒有發(fā)生Y方向的破壞。1、2、3號滑動支座分析結(jié)果見表1

     

    表1  火災過程中部分滑動支座火損情況
    \

     

                                        

    檢測結(jié)果顯示,網(wǎng)架東側(cè)受火災影響較為嚴重,位于網(wǎng)架東側(cè)的部分桿件軸線彎曲偏差超過《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)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(cè)下弦桿件在溫度荷載作用下的變形圖,可以看出ANSYS分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果具有相似的規(guī)律性。

     

     \   
    (a)  ANSYS分析結(jié)果
    \   
    (b) 現(xiàn)場檢測結(jié)果   
    圖5  網(wǎng)架下弦桿件局部變形圖

     

     

    6 結(jié)

    本文根據(jù)工程實際情況,建立了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型,并對網(wǎng)架在升降溫過程中的變形及應力分布進行了研究,得到如下結(jié)論:

    1 溫度場的分布情況對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變形及應變有較為明顯的影響。從本文的分析結(jié)果來看,隨著溫度場分布的變化,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最小豎向位移向溫度大、荷載大的部位移動;結(jié)構(gòu)的塑性應變也隨著溫度場的變化而變化。

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

    3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)火災全過程有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗火性能[J]. 自然災害學報,2008,17(5):5~15.

    [2] 邱林波.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)火災下的力學性能研究[D]. 北京:北京工業(yè)大學博士學位論文,2010.

    [3] 鄒文平.火災升降溫及災后全過程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)力學性能分析[J]. 昆明理工大學學報(理工版),2010,35(6):38~43.

    [4] 白音,石永久,王元清.火災中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力分析與設計方法[J]. 深圳大學學報(理工版),2011,28(2):113~118.

    [5] GB/T 17955-2000. 球型支座技術條件[S]. 北京:國家質(zhì)量技術監(jiān)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(jié)構(gòu)防火技術規(guī)范[S]. 北京:中國工程建設標準化協(xié)會行業(yè)標準, 2006.

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

     (北京建筑工程學院 土木與交通工程學院,北京 10044


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