鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：基于試驗的結構抗火研究適用于中小型構件，但對于大型空間結構采用試驗的方法是不現實(shí)的。大型空間結構的熱-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)架結構為依托，通過(guò)利用FDS火災模擬計算軟件分析網(wǎng)架空間位置溫度-時(shí)間曲線(xiàn)，考慮了防火涂料對鋼材實(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)架結構的力學(xué)性能。通過(guò)對網(wǎng)架結構在常溫和高溫時(shí)內力和位移參數的對比分析研究，并結合高溫下整體結構承載能力的評估方法，對過(guò)火結構的損傷做出判定，分析計算結果與過(guò)火結構現場(chǎng)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)架結構已在建筑領(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)架結構作為屋面的支撐體系；現已建成的天津科學(xué)宮，網(wǎng)架尺寸及高度達到 
，而用鋼量?jì)H為6.3 ；我國深圳國際機場(chǎng)航站樓屋頂部分的設計，同樣采用了網(wǎng)架支撐這一結構形式[1]。
鋼網(wǎng)架結構體系的快速發(fā)展，得利于其具有較好的結構多樣性和規律性，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，設計計算簡(jiǎn)便等優(yōu)勢。然而，對鋼結構而言，耐火性能差是其最大的缺陷。
目前，研究結構抗火性能的主要方法是制作單個(gè)構件的抗火試驗，而后通過(guò)試驗數據歸納承重構件受火時(shí)的內力狀況[2]。但這種方法只局限于構件本身，未考慮周?chē)鷹U件對其作用，而且也很難準確設置端部約束[3]。近年來(lái)，性能化設計及評價(jià)結構抗火能力的方法發(fā)展迅速。因其具有真實(shí)、準確性，已逐漸得到了國內外學(xué)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(jìn)行研究，提出了隨著(zhù)支座剛度的下降，網(wǎng)架結構的抗火能力會(huì )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，認為網(wǎng)架中某些桿件的損壞不會(huì )影響整體結構繼續承受外載。尹越、袁鐵柱等[7]采用FDS軟件確定某廠(chǎng)房?jì)炔炕馂陌l(fā)生時(shí)空間溫度分布狀況，其模擬結果與實(shí)測數據符合較好，驗證了FDS軟件對火災溫度場(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軟件模擬室外火災發(fā)生時(shí)的結構空間溫度場(chǎng)。作者在考慮防火涂料的作用下，采用ABAQUS非線(xiàn)性數值分析軟件模擬空間網(wǎng)架在常溫及高溫下結構的內力和變形情況。
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)現場(chǎng)檢測，建筑物過(guò)火面積達到8490m2，直接造成經(jīng)濟損失約16383萬(wàn)元。
本文選取C區網(wǎng)架進(jìn)行結構抗火性能研究，圖1為網(wǎng)架區域分布圖。
圖1 網(wǎng)架區域分布圖
C區網(wǎng)架結構位于主樓東側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)架結構，上下弦規則網(wǎng)格的邊長(cháng)為3～3.5m，單元網(wǎng)格厚度3.52m。該網(wǎng)架由六種不同規格的空心圓管組成，具體尺寸及數目詳見(jiàn)表1。
表1 網(wǎng)架桿件尺寸及數量詳表
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、鋼材的膨脹系數及密度
鋼材的膨脹系數雖略受溫度變化影響，但經(jīng)過(guò)科學(xué)檢驗，并考慮到實(shí)用性，可以近似認為該參數不隨溫度而改變，在研究時(shí)將其設為常數。我國規范即采用此種方法。
本文根據《鋼結構設計規范》，定義材料的膨脹系數為
。而鋼材的密度是不隨溫度變化的量，取常溫數值
。
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(huì )發(fā)生顯著(zhù)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(lèi)的鋼材，各國規范給出了相應的計算公式。針對本文研究鋼材為Q345級結構鋼，采用歐洲EC3規范來(lái)確定彈性模量。表2為結構鋼高溫下彈性模量降低系數。
表2 結構鋼高溫下彈性模量降低系數
鋼材的泊松系數受溫度的影響很小，可不考慮其隨溫度的變化，取為0.3。
2、材料的屈服強度
對普通結構鋼而言，其屈服強度隨溫度的上升而降低。在溫度達到300 時(shí)，材料已無(wú)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(lái)代替真實(shí)屈服強度。為使結構有足夠的安全儲備，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關(guān)系模型有很多種，其中以分段直線(xiàn)模型較為簡(jiǎn)單常用，但其與材料真實(shí)的本構曲線(xiàn)相差較大，故一般情況下不建議使用直線(xiàn)模型。文中采用歐洲EC3規范介紹的材料應力-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 結構鋼高溫下強度降低系數
圖2 不同溫度下鋼材應力-應變關(guān)系曲線(xiàn)
4 空間網(wǎng)架結構溫度場(chǎng)計算方法
4.1 網(wǎng)架環(huán)境溫度的確定
該網(wǎng)架結構區域范圍較大，在溫度計算時(shí)不能采用區域模型進(jìn)行結構溫度研究，宜使用場(chǎng)模型來(lái)確定網(wǎng)架各位置的溫度數值。
為使研究模型與實(shí)際情況相符，利用FDS軟件來(lái)確定網(wǎng)架各節點(diǎn)在火災過(guò)程中溫度變化情況。通過(guò)對室內火災荷載的調查及結構損傷程度的檢測，將實(shí)際計算參數輸入軟件中，得到網(wǎng)架425個(gè)節點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，圖3繪出了其中15個(gè)節點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)。
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軟件分析結構高溫下受力性能時(shí)，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構上。
圖3 網(wǎng)架結構部分節點(diǎn)環(huán)境溫度變化曲線(xiàn)圖
對于有薄涂型防火涂料結構面層溫度的計算，采用增量形式進(jìn)行處理。式1給出了計算方法[9]。
依據公式1，繪制了經(jīng)處理后對應的15個(gè)節點(diǎn)鋼管表面溫度變化曲線(xiàn)，如圖4所示。
5 網(wǎng)架結構受力性能分析
常溫下，由于空間網(wǎng)架結構單元形式規則，空間連接緊密，整體穩定性能良好，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，受力性能和結構的穩定將發(fā)生變化?；诖它c(diǎn)，本文將詳細分析網(wǎng)架結構在常溫和高溫情況下的力學(xué)性能。
圖4 網(wǎng)架結構部分節點(diǎn)桿件表面溫度變化曲線(xiàn)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A(yíng)BAQUS有限元分析軟件中使用單元類(lèi)型為B32的梁?jiǎn)卧獊?lái)建立網(wǎng)架模型；截面形狀及材料屬性按文中規定的參數輸入；支座種類(lèi)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)架內外表面分布荷載及風(fēng)管荷載。
圖5 網(wǎng)架結構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(shí)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)架結構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，結構應力值分布較為均勻。最大應力出現在網(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)架結構撓度呈現出中部大，兩側小的分布情況，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(wú)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，出現在網(wǎng)架的角部；此外，網(wǎng)架結構支座附近的桿件具有較大的應力?？偟膩?lái)說(shuō)，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(chǎng)因素
火災發(fā)生的位置及蔓延路徑對溫度場(chǎng)的分布影響很大，而溫度會(huì )直接影響材料屬性。由于火勢沿外部裝飾材料燃燒，外層網(wǎng)架溫度比內層網(wǎng)架溫度要高，右側邊緣桿件溫度比跨中桿件溫度要高。這使得右側外部邊緣的桿件內力值較大。
2）材料因素
由3.2節可知，溫度的上升導致材料的剛度和強度均有顯著(zhù)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 )增大桿件的附加內力。
3）約束原因
對于超靜定結構來(lái)說(shuō)，溫度效應是不能忽視的。對于結構中部的桿件，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 )使桿件的附加內力增大幅度降低，而且材料的軟化也會(huì )降低多余內力的影響。
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(guò)程中無(wú)法通過(guò)有效的伸縮來(lái)釋放能量，就會(huì )使桿件截面內力持續積累，造成局部應力過(guò)大現象。
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(jìn)而嚴重影響網(wǎng)架的局部承載能力。
根據火災下整體結構承載能力的判定依據[10]：
1）結構整體喪失穩定性
2）結構的整體變形達到無(wú)法承受荷載的限值，即最大撓度 與結構跨度 之比大于 。
由上述判據及網(wǎng)架達到最高溫度時(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，可認為結構仍有承載能力。
但從圖8中能夠知道，網(wǎng)架局部桿件撓度值過(guò)大，已超過(guò)桿件承載力判據。因此，可以這樣認為：網(wǎng)架結構在受火過(guò)程中，雖有一些桿件退出工作，但其整體結構依然具有承載能力。
圖8 高溫下網(wǎng)架桿件豎向位移云圖(mm)
6．結 論
基于上述對網(wǎng)架結構抗火性能研究，能夠得到一些較有意義的結論：
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域內桿件的應力值幅度增加較大，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。
對于支座附近桿件破壞嚴重的現象，可以通過(guò)適當減小支座剛度的方法來(lái)加以改善，這樣會(huì )使溫度應力得到有效釋放。
2）通過(guò)判定準則可知，網(wǎng)架在火災過(guò)程中整體性能良好，雖有部分桿件出現了較大的破壞變形，但多數桿件依舊可以承受荷載，這體現出此種結構形式有很好的抗火性能。
3）與已有多數空間結構抗火研究相比，本文網(wǎng)架結構抗火性能分析引入了保護層概念，并通過(guò)公式1將施加在結構上的溫度進(jìn)行了處理，這樣做可與實(shí)際工程相符，更加具有研究?jì)r(jià)值。
4）在研究方法上，文獻[10]是將溫度作為節點(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-力耦合的復雜操作過(guò)程，但該研究具有階段性，沒(méi)有使結構的受力性能隨溫度連續性變化，與實(shí)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域，即采用區域模型進(jìn)行網(wǎng)架受火分析。對大空間結構而言，火場(chǎng)中各位置的溫度是不同的，若設置為相同溫度會(huì )影響桿件的膨脹變形，使結果出現偏差。
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，又使得結構的受力隨溫度持續變化，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.北京市市政工程設計研究總院，北京 100082）
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