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基于FDS温度场的大空间网架结构火灾全过程分析
来源:建筑钢结构网  作者:李国华 刘栋栋 张远青  时间:2013-12-03   关键词:大空间网架结构
摘要:网架结构是大空间建筑的一种重要结构形式,对其进行火灾下的受力性能分析是结构抗火设计必不可少的一部分。本文以某重大工程网架结构为研究对象,以FDS模拟得到的温度场为实际受火过程,运用ANSYS有

  要:网架结构是大空间建筑的一种重要结构形式,对其进行火灾下的受力性能分析是结构抗火设计必不可少的一部分。本文以某重大工程网架结构为研究对象,以FDS模拟得到的温度场为实际受火过程,运用ANSYS有限元软件对网架结构进行了火灾全过程分析,得到了网架结构在火灾作用下的整体变形及受力性能。分析结果与现场检测结果基本吻合,验证了模型分析的准确性。本文结论对火灾受损后结构的修复与加固提供了一定参考。

 

关键词:网架结构,温度场,升降温,受力特性

 

网架结构是大跨大空间结构的一种形式,具有节约钢材,整体性好,制作安装快捷,造型优美等优点,广泛应用于各种公共建筑中。由于钢材耐火性能差,大跨公共建筑一旦发生火灾,将可能造成重大人身和财产损失,因此对大空间网架结构进行抗火性能研究是大空间建筑抗火设计必不可少的一部分。 目前国内外对网架的研究主要集中在结构静力与动力性能上,对网架结构抗火性能的研究还处于初步阶段。杜咏[1]过对受支座约束的网架结构在非均匀温度场中的力学反应进行了分析,得出了支座约束刚度、网架结构抗剪刚度等因素对网架结构临界温度的影响规律,提出了考虑支座约束影响的正放四角锥网架结构临界温度的计算方法。邱林波[2]采用ABAQUS对火灾下网架结构的力学性能进行了研究,分析了不同火源模型和不同结构参

数对火灾下结构极限状态的影响,提出火灾下网架结构承载能力极限状态的判定标准。邹文平[3]建立了考虑升降温火灾全过程及火灾后网架力学性能分析的有限元模型,对火灾全过程中网架结构的变形,内力重分布及火灾后承载力进行了研究。白音[4]等对高温下的网架结构进行了非线性分析,并提出了采用修正的拟夹层板法估算网架结构在火灾下的最大位移。

以前的研究均为基于假设温度场下的网架抗火性能研究,其结果的正确性需进一步验证。本文以某重大工程为研究背景,根据火灾现场情况,结合FDS模拟得到的结构温度场分布,对网架结构进行火灾全过程非线性有限元分析,得到了升降温过程中网架结构的整体受力及变形特性。有限元分析结果与现场检测结果相吻合,表明本文建立的火灾全过程有限元模性的正确性。分析结果为灾后网架结构的修复与加固提供一定的参考。

1. 网架有限元模型

1.1 网架几何模型

某工程网架,平面长91.55m,宽78.925m,为双层正放四角锥网架结构。网格平面尺寸3.6m 3.6m,网格厚度为2.62m,杆件截面为圆形钢管,共有121mm 5mm140mm 6mm180mm 6mm203mm 6mm16种规格。

本文采用ANSYS软件建立网架有限元计算模型,网架杆件单元采用BEAM18进行划分,网格划分后的网架有限元模型见图1

 

 
图1  网架有限元模型及荷载分布(大空间网架结构)

 

 

1.2 荷载情况

施加在网架上的荷载按照火灾发生时的实际情况选取定。火灾发生时,作用在网架结构上的实际荷载有构件自重,网架上下覆盖的金属自重,网架上悬挂的竖向玻璃幕墙荷载,网架上悬挂的灯具自重,楼梯荷载,天沟荷载以及暖通静压箱荷载等;结构分析时不考虑活荷载的作用。网架结构的有限元模型及荷载分布情况见图1

1.3 网架支座情况

网架结构中支座分两种类型:固定铰支座与滑动铰支座。固定铰支座约束三向位移,允许空间自由转动,最大允许转角为0.02rad。滑动支座只约束竖向位移,允许在水平面内双向自由滑动,允许空间自由转动,最大允许转角为0.025rad;支座设双向限位装置,滑动后的承载力重心与球型转动面中心对齐。

根据网架结构中各滑动支座的情况,结合GB/T 17955-2000《球型支座技术条件》[5]相应规定,在ANSYS中采用弹簧单元combin39来建立滑动支座模型,通过设定相应的荷载位移曲线来模拟滑动支座在平面内自由滑动的特性。

2 高温下钢材特性

2.1 高温下钢材的应力应变关系

网架构件所用钢材型号为Q345B,常温下钢材的屈服强度标准值取,钢材的极限强度标准值为,钢材的初始弹性模量为ANSYS分析中钢材采用多线性随动强化模型,高温下和高温后的钢材应力应变关系按欧洲规范EC3:Part 1.26的约定选取,高温下钢材的应力应变曲线见图2

 

 
图2  高温下钢材应力应变曲线(大空间网架结构)

 

 

2.2 高温下钢材的物理特性

高温下钢材的物理特性根据CECS 200:2006《建筑钢结构防火技术规范》[7]相关规定选取。钢材的热膨胀系数取,钢材密度为7850 ,泊松比为0.3

3 网架温度场分布

作用于网架结构的温度场通过火灾现场调查并利用FDS软件模拟得到。根据网架构件防火涂层的特性(防火涂层的导热系数,厚度为4mm,密度及《建筑钢结构防火技术规范规范》(CECS 200:2006)的相关规定,计算得到网架节点温度,通过APDL二次开发程序,将温度以体荷载的形式施加在网架的各个节点。火灾升温过程中网架节点温度分布情况见图3

 

 
图3 t=491s时网架温度场分布情况(大空间网架结构)

 

 

火灾过程中,温度场在网架中的分布呈现不均匀性,火灾主要集中在网架的中部、南侧和东侧,网架西侧基本没有受到火灾的影响。网架东南侧构件在t=491s时达到最高506 ,东北侧构件在t=4620s时达到551

4分析结果

4.1 网架变形

在室温(20oC)状态下,网架结构在重力荷载作用下,最大及最小竖向位移(z向)发生在挂有玻璃幕墙的南侧边缘构件。最小位移为-41.7mm,最大位移为16.9mm(图4a))。随着温度的增加及温度分布的变化,网架结构的最小竖向位移向着荷载及温度较大的中心部位移动,最小竖向位移发生在网架上悬挂马道部位,在t=491s时,马道部位的最小位移为-83.13mm,最大位移依然位于悬挂玻璃幕墙的南侧边缘,为85.923mm

 

    
(a) 室温下网架结构z向位移
(b)t=491s时温度场分布情况
图4 不同温度下网架变形情况

 

 

4.2 网架应力

室温(20oC)状态下,在重力荷载作用下网架结构中的杆件均没有屈服,最大拉应力为,位于荷载较大的马道部位。随着温度的升高,钢材屈服强度降低,温度荷载较大的区域中杆件发生屈服,t=300s时,网架结构中出现塑性应变,杆件发生屈服,最大等效塑性应变为0.305 。随着温度场分布的不断变化,t=917s时,最大塑性应变发生在温度较高的网架东南侧构件中,最大等效塑性应变为0.0296t=1343s时,最大塑性应变发生在网架东北侧的构件中,最大等效塑性应变为0.0031。在整个火灾过程中,网架结构的最大塑性应变为0.0075,发生在温度较高的网架东北侧。

5 分析结果与现场检测结果对比

火灾后现场检测结果显示,位于东侧的123号滑动支座火损较为严重,网架与支座脱开。从ANSYS分析结果可知,123号支座分别在t=491st=426st=360s时,在x方向的位置偏差超过了支座允许偏差量,从而使得支座发生破坏;整个火灾过程中,三个滑动支座Y向位置偏差均在允许范围内,没有发生Y方向的破坏。123号滑动支座分析结果见表1

 

表1  火灾过程中部分滑动支座火损情况

 

                                    

检测结果显示,网架东侧受火灾影响较为严重,位于网架东侧的部分杆件轴线弯曲偏差超过《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205-2001[4]的允许值。图5显示了ANSYS分析的到的网架东侧下弦杆件在温度荷载作用下的变形图,可以看出ANSYS分析结果与现场检测结果具有相似的规律性。

 

    
(a)  ANSYS分析结果
   
(b) 现场检测结果   
图5  网架下弦杆件局部变形图

 

 

6

本文根据工程实际情况,建立了网架结构有限元模型,并对网架在升降温过程中的变形及应力分布进行了研究,得到如下结论:

1 温度场的分布情况对网架结构的变形及应变有较为明显的影响。从本文的分析结果来看,随着温度场分布的变化,网架结构的最小竖向位移向温度大、荷载大的部位移动;结构的塑性应变也随着温度场的变化而变化。

2 由于温度荷载主要集中在网架的东侧,在温度荷载作用下,东侧网架杆件变形较大,导致东侧网架边缘的三个滑动支座X方向的位移偏差量超过允许值,发生破坏。

3)网架结构火灾全过程有限元分析结果与现场检测结果基本一致,表明本文建立的有限元模型具有一定的正确性。

4)本文分析方法为网架结构在温度荷载作用下的受力变形性能分析提供可行的方法,为火灾后网架结构的修复与加固给出一定的参考。

参考文献

[1] 杜咏,李国强.考虑支座约束影响的网架结构抗火性能[J]. 自然灾害学报,2008,17(5):5~15.

[2] 邱林波.空间网格结构火灾下的力学性能研究[D]. 北京:北京工业大学博士学位论文,2010.

[3] 邹文平.火灾升降温及灾后全过程网架结构力学性能分析[J]. 昆明理工大学学报(理工版),2010,35(6):38~43.

[4] 白音,石永久,王元清.火灾中网架结构受力分析与设计方法[J]. 深圳大学学报(理工版),2011,28(2):113~118.

[5] GB/T 17955-2000. 球型支座技术条件[S]. 北京:国家质量技术监督局,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. 建筑钢结构防火技术规范[S]. 北京:中国工程建设标准化协会行业标准, 2006.

[8] GB 50205-2001. 钢结构工程施工质量验收规范[S]. 北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国建设部, 2002.

 (北京建筑工程学院 土木与交通工程学院,北京 10044

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