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摘 要：基于試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)抗火研究適用于中小型構(gòu)件，但對(duì)于大型空間結(jié)構(gòu)采用試驗(yàn)的方法是不現(xiàn)實(shí)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(shí)際工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為依托，通過利用FDS火災(zāi)模擬計(jì)算軟件分析網(wǎng)架空間位置溫度-時(shí)間曲線，考慮了防火涂料對(duì)鋼材實(shí)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(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在常溫和高溫時(shí)內(nèi)力和位移參數(shù)的對(duì)比分析研究，并結(jié)合高溫下整體結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)估方法，對(duì)過火結(jié)構(gòu)的損傷做出判定，分析計(jì)算結(jié)果與過火結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)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(guó)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?jī)H為6.3 ；我國(guó)深圳國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓屋頂部分的設(shè)計(jì)，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(jiǎn)單易懂，設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。然而，對(duì)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(gè)構(gòu)件的抗火試驗(yàn)，而后通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納承重構(gòu)件受火時(shí)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(duì)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(jì)及評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗火能力的方法發(fā)展迅速。因其具有真實(shí)、準(zhǔn)確性，已逐漸得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可[4]。
      杜詠、李國(guó)強(qiáng)[5]利用有限元軟件對(duì)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(huì)有提高。李耀莊、朱國(guó)朋[6]等使用ANASYS軟件對(duì)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(huì)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?jī)?nèi)部火災(zāi)發(fā)生時(shí)空間溫度分布狀況，其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好，驗(yàn)證了FDS軟件對(duì)火災(zāi)溫度場(chǎng)模擬的實(shí)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(shí)例素材的必要。本文從實(shí)際工程出發(fā)，利用FDS軟件模擬室外火災(zāi)發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)空間溫度場(chǎng)。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。火災(zāi)后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，建筑物過火面積達(dá)到8490m2，直接造成經(jīng)濟(jì)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。
 

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(zhǎng)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(hào)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(yàn)，并考慮到實(shí)用性，可以近似認(rèn)為該參數(shù)不隨溫度而改變，在研究時(shí)將其設(shè)為常數(shù)。我國(guó)規(guī)范即采用此種方法。
本文根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?cái)?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(qiáng)度和剛度都會(huì)發(fā)生顯著的下降。
      1、材料的彈性模量和泊松比
      經(jīng)試驗(yàn)確定，鋼材的彈性模量隨溫度的上升而下降。對(duì)于不同種類的鋼材，各國(guó)規(guī)范給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。針對(duì)本文研究鋼材為Q345級(jí)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(qiáng)度
      對(duì)普通結(jié)構(gòu)鋼而言，其屈服強(qiáng)度隨溫度的上升而降低。在溫度達(dá)到300 時(shí)，材料已無明顯的屈服平臺(tái)。因此，研究者通常采用鋼材的名義屈服強(qiáng)度來代替真實(shí)屈服強(qiáng)度。為使結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲(chǔ)備，作者將材料的比例極限強(qiáng)度定義為鋼材高溫下的屈服強(qiáng)度。鋼材的高溫強(qiáng)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(jiǎn)單常用，但其與材料真實(shí)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(jì)算模型[8]。具體計(jì)算模型形式如圖2所示。

表3 結(jié)構(gòu)鋼高溫下強(qiáng)度降低系數(shù)

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(chǎng)計(jì)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(jì)算時(shí)不能采用區(qū)域模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度研究，宜使用場(chǎng)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(shí)際情況相符，利用FDS軟件來確定網(wǎng)架各節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)過程中溫度變化情況。通過對(duì)室內(nèi)火災(zāi)荷載的調(diào)查及結(jié)構(gòu)損傷程度的檢測(cè)，將實(shí)際計(jì)算參數(shù)輸入軟件中，得到網(wǎng)架425個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，圖3繪出了其中15個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，需要對(duì)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。

圖3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分節(jié)點(diǎn)環(huán)境溫度變化曲線圖

      對(duì)于有薄涂型防火涂料結(jié)構(gòu)面層溫度的計(jì)算，采用增量形式進(jìn)行處理。式1給出了計(jì)算方法[9]。

      依據(jù)公式1，繪制了經(jīng)處理后對(duì)應(yīng)的15個(gè)節(jié)點(diǎn)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(huì)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(huì)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。基于此點(diǎn)，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。

圖4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分節(jié)點(diǎn)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(jì)算模型。在ABAQUS有限元分析軟件中使用單元類型為B32的梁?jiǎn)卧獊斫⒕W(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(jì)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。

圖5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常溫下桿件應(yīng)力分布圖(MPa)

經(jīng)計(jì)算分析，得到常溫下網(wǎng)架在外載作用時(shí)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。

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(qiáng)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。總的來說，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(chǎng)因素
      火災(zāi)發(fā)生的位置及蔓延路徑對(duì)溫度場(chǎng)的分布影響很大，而溫度會(huì)直接影響材料屬性。由于火勢(shì)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(qiáng)度均有顯著的降低。在相同荷載作用下，剛度的降低會(huì)使桿件的變形增加，而多余的變形又會(huì)增大桿件的附加內(nèi)力。
      3）約束原因
      對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)來說，溫度效應(yīng)是不能忽視的。對(duì)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(huì)使桿件的附加內(nèi)力增大幅度降低，而且材料的軟化也會(huì)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(huì)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。

圖7 高溫下網(wǎng)架桿件應(yīng)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(yīng)較大，而且端部受到支座的約束較強(qiáng)，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(shí)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。

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(duì)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(duì)撓度而言，遠(yuǎn)離支座的桿件在高溫下?lián)隙戎递^常溫時(shí)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(duì)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(huì)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(shí)際工程相符，更加具有研究?jī)r(jià)值。
      4）在研究方法上，文獻(xiàn)[10]是將溫度作為節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)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(duì)大空間結(jié)構(gòu)而言，火場(chǎng)中各位置的溫度是不同的，若設(shè)置為相同溫度會(huì)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(chǎng)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(shí)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(jì)研究總院，北京 100082）

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