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基于FDS溫度場的大空間網架結構火災全過程分析
來源:建筑鋼結構網  作者:李國華 劉棟棟 張遠青  時間:2013-12-03   關鍵詞:大空間網架結構  

摘要:網架結構是大空間建筑的一種重要結構形式,對其進行火災下的受力性能分析是結構抗火設計必不可少的一部分。本文以某重大工程網架結構為研究對象,以FDS模擬得到的溫度場為實際受火過程,運用ANSYS有

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

 

關鍵詞:網架結構,溫度場,升降溫,受力特性

 

網架結構是大跨大空間結構的一種形式,具有節約鋼材,整體性好,制作安裝快捷,造型優美等優點,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生火災,將可能造成重大人身和財產損失,因此對大空間網架結構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。 目前國內外對網架的研究主要集中在結構靜力與動力性能上,對網架結構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架結構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、網架結構抗剪剛度等因素對網架結構臨界溫度的影響規律,提出了考慮支座約束影響的正放四角錐網架結構臨界溫度的計算方法。邱林波[2]采用ABAQUS對火災下網架結構的力學性能進行了研究,分析了不同火源模型和不同結構參

數對火災下結構極限狀態的影響,提出火災下網架結構承載能力極限狀態的判定標準。鄒文平[3]建立了考慮升降溫火災全過程及火災后網架力學性能分析的有限元模型,對火災全過程中網架結構的變形,內力重分布及火災后承載力進行了研究。白音[4]等對高溫下的網架結構進行了非線性分析,并提出了采用修正的擬夾層板法估算網架結構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架抗火性能研究,其結果的正確性需進一步驗證。本文以某重大工程為研究背景,根據火災現場情況,結合FDS模擬得到的結構溫度場分布,對網架結構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架結構的整體受力及變形特性。有限元分析結果與現場檢測結果相吻合,表明本文建立的火災全過程有限元模性的正確性。分析結果為災后網架結構的修復與加固提供一定的參考。

1. 網架有限元模型

1.1 網架幾何模型

某工程網架,平面長91.55m,寬78.925m,為雙層正放四角錐網架結構。網格平面尺寸3.6m 3.6m,網格厚度為2.62m,桿件截面為圓形鋼管,共有121mm 5mm140mm 6mm180mm 6mm203mm 6mm16種規格。

本文采用ANSYS軟件建立網架有限元計算模型,網架桿件單元采用BEAM18進行劃分,網格劃分后的網架有限元模型見圖1

 

 
圖1  網架有限元模型及荷載分布(大空間網架結構)

 

 

1.2 荷載情況

施加在網架上的荷載按照火災發生時的實際情況選取定。火災發生時,作用在網架結構上的實際荷載有構件自重,網架上下覆蓋的金屬自重,網架上懸掛的豎向玻璃幕墻荷載,網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;結構分析時不考慮活荷載的作用。網架結構的有限元模型及荷載分布情況見圖1

1.3 網架支座情況

網架結構中支座分兩種類型:固定鉸支座與滑動鉸支座。固定鉸支座約束三向位移,允許空間自由轉動,最大允許轉角為0.02rad。滑動支座只約束豎向位移,允許在水平面內雙向自由滑動,允許空間自由轉動,最大允許轉角為0.025rad;支座設雙向限位裝置,滑動后的承載力重心與球型轉動面中心對齊。

根據網架結構中各滑動支座的情況,結合GB/T 17955-2000《球型支座技術條件》[5]相應規定,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

網架構件所用鋼材型號為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(大空間網架結構)

 

 

2.2 高溫下鋼材的物理特性

高溫下鋼材的物理特性根據CECS 200:2006《建筑鋼結構防火技術規范》[7]相關規定選取。鋼材的熱膨脹系數取,鋼材密度為7850 ,泊松比為0.3

3 網架溫度場分布

作用于網架結構的溫度場通過火災現場調查并利用FDS軟件模擬得到。根據網架構件防火涂層的特性(防火涂層的導熱系數,厚度為4mm,密度及《建筑鋼結構防火技術規范規范》(CECS 200:2006)的相關規定,計算得到網架節點溫度,通過APDL二次開發程序,將溫度以體荷載的形式施加在網架的各個節點。火災升溫過程中網架節點溫度分布情況見圖3

 

 
圖3 t=491s時網架溫度場分布情況(大空間網架結構)

 

 

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

4分析結果

4.1 網架變形

在室溫(20oC)狀態下,網架結構在重力荷載作用下,最大及最小豎向位移(z向)發生在掛有玻璃幕墻的南側邊緣構件。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,網架結構的最小豎向位移向著荷載及溫度較大的中心部位移動,最小豎向位移發生在網架上懸掛馬道部位,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邊緣,為85.923mm

 

    
(a) 室溫下網架結構z向位移
(b)t=491s時溫度場分布情況
圖4 不同溫度下網架變形情況

 

 

4.2 網架應力

室溫(20oC)狀態下,在重力荷載作用下網架結構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,溫度荷載較大的區域中桿件發生屈服,t=300s時,網架結構中出現塑性應變,桿件發生屈服,最大等效塑性應變為0.305 。隨著溫度場分布的不斷變化,t=917s時,最大塑性應變發生在溫度較高的網架東南側構件中,最大等效塑性應變為0.0296t=1343s時,最大塑性應變發生在網架東北側的構件中,最大等效塑性應變為0.0031。在整個火災過程中,網架結構的最大塑性應變為0.0075,發生在溫度較高的網架東北側。

5 分析結果與現場檢測結果對比

火災后現場檢測結果顯示,位于東側的123號滑動支座火損較為嚴重,網架與支座脫開。從ANSYS分析結果可知,123號支座分別在t=491st=426st=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,沒有發生Y方向的破壞。123號滑動支座分析結果見表1

 

表1  火災過程中部分滑動支座火損情況

 

                                    

檢測結果顯示,網架東側受火災影響較為嚴重,位于網架東側的部分桿件軸線彎曲偏差超過《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB 50205-2001[4]的允許值。圖5顯示了ANSYS分析的到的網架東側下弦桿件在溫度荷載作用下的變形圖,可以看出ANSYS分析結果與現場檢測結果具有相似的規律性。

 

    
(a)  ANSYS分析結果
   
(b) 現場檢測結果   
圖5  網架下弦桿件局部變形圖

 

 

6

本文根據工程實際情況,建立了網架結構有限元模型,并對網架在升降溫過程中的變形及應力分布進行了研究,得到如下結論:

1 溫度場的分布情況對網架結構的變形及應變有較為明顯的影響。從本文的分析結果來看,隨著溫度場分布的變化,網架結構的最小豎向位移向溫度大、荷載大的部位移動;結構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架的東側,在溫度荷載作用下,東側網架桿件變形較大,導致東側網架邊緣的三個滑動支座X方向的位移偏差量超過允許值,發生破壞。

3)網架結構火災全過程有限元分析結果與現場檢測結果基本一致,表明本文建立的有限元模型具有一定的正確性。

4)本文分析方法為網架結構在溫度荷載作用下的受力變形性能分析提供可行的方法,為火災后網架結構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架結構抗火性能[J]. 自然災害學報,2008,17(5):5~15.

[2] 邱林波.空間網格結構火災下的力學性能研究[D]. 北京:北京工業大學博士學位論文,2010.

[3] 鄒文平.火災升降溫及災后全過程網架結構力學性能分析[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.火災中網架結構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:國家質量技術監督局,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. 建筑鋼結構防火技術規范[S]. 北京:中國工程建設標準化協會行業標準, 2006.

[8] GB 50205-2001. 鋼結構工程施工質量驗收規范[S]. 北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,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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