鋼框架結(jié)構(gòu)抗火反應(yīng)分析與研究 

 [摘要]：采用非線性有限元理論，對鋼框架結(jié)構(gòu)抗火反應(yīng)全過程進(jìn)行分析,就是想通過獲得框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的工作性能，為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析和模擬試驗(yàn)研究提供一些參考，為科學(xué)的綜合防火設(shè)計提供評價方法。

[關(guān)鍵詞]：鋼框架    抗火   非線性   有限元    位移    

Abstract：It uses the non-linear finite element theory to analysis the fire resistance of the steel frame construction. Through the work ability of the steel frame construction in fire's operating performance, provide some references for the rationalization structural stability analysis and the simulation test research and provide the assessment method for the science synthesis fire protection design.

Key words: steel frame  fire-resistant  non-linear  finite element  displacement

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、重量輕，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在我國廠房等建筑中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)抗火性能差，容易在高溫下產(chǎn)生軟化屈服^[1]，而需在鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計中引起高度重視。目前較高廠房中設(shè)置一個夾層（此夾層一般都為鋼框架）作為辦公、休息的結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)出現(xiàn)的越來越多，如銷售汽車4S店等都為此種結(jié)構(gòu)形式^[2]。而這種廠房由于用途比較廣，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜而在防火設(shè)計中更應(yīng)該引起設(shè)計師的關(guān)注。 

2 計算模型及分析方法 

本文所分析的問題為一個二層三跨連續(xù)鋼框架，層高3米，柱間距5.5米。所有柱腳固接。所有橫梁都受均布荷載作用，荷載值為30KN/M.梁為I字型梁（H350X175X7X10），柱為熱H型鋼(H390X300X12X20). 假定火災(zāi)分別發(fā)生在底層和上層的任意一個防火間,該防火間內(nèi)溫度隨時間按標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)模型上升。接著考慮通過ANSYS的藕合分析來實(shí)現(xiàn)由空氣的溫度分布到結(jié)構(gòu)的溫度分布再到結(jié)構(gòu)的反應(yīng)整個過程^[3]。在發(fā)生火災(zāi)時因防火間獨(dú)特的作用，而僅會使防火間內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明顯的溫度上升。ANSYS的梁單元僅能模擬沿截面線性溫度分布，為了能準(zhǔn)確模擬截面的非均勻溫度分布等現(xiàn)象，構(gòu)成防火間的梁和柱將采用SOLID90單元用于傳熱分析，采用與SOLID90單元相對應(yīng)的SOLID95單元用于結(jié)構(gòu)分析。而其他房間采用梁單元。

2.1 火災(zāi)發(fā)生在底層邊跨 

2.1.1 溫度場分析與計算 

    采用SOLID90三維20節(jié)點(diǎn)六面體單元，定義導(dǎo)熱系數(shù)等熱分析材料特性;定義受火作用邊界，對受火邊界施加熱輻射等; 定義瞬態(tài)分析初始溫度為20'C，及初始步長為20秒。然后按照ISO-834曲線對構(gòu)件進(jìn)行溫度計算^[4]，得出每個荷載步(時間)下鋼梁沿截面和長度范圍內(nèi)各個點(diǎn)溫度。見下面圖1、圖2

    圖2 跨中一點(diǎn)的時間-溫度曲線

圖1 框架溫度分析結(jié)果

   2.1.2 結(jié)構(gòu)分析與計算 

   將單元定義為與熱分析單元SOLID90相耦合的SOLID95單元，定義常溫下屈服應(yīng)力、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)，以及隨溫度變化的彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等結(jié)構(gòu)分析材料特性。

接下來對二層三跨框架結(jié)構(gòu)的其他房間建立模型。由于在此分析中，火災(zāi)發(fā)生在底層第一個房間，其他房間只有力學(xué)荷載。因此可將其他部位定義為梁單元。值得注意的是在兩種單元的結(jié)合處采用約束方程以保證變形協(xié)調(diào)^[5]。

下面施加荷載與約束，把所有柱角都看成固定端，在框架右側(cè)柱端施加側(cè)向水平支撐。先進(jìn)行靜力分析（考慮大變形），然后設(shè)置分析時間范圍，讀入上面溫度分析時得到的溫度分布，定義時間步長（本例為20秒）進(jìn)行瞬態(tài)分析。即可得到任何時間，在溫度和荷載耦合作用下結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的應(yīng)力和變形。模型和計算結(jié)果如圖3，圖4。

圖3 火災(zāi)發(fā)生在底層邊跨時ANSYS計算模型

圖4 火災(zāi)發(fā)生在底層邊跨時ANSYS分析結(jié)果（撓度，米）

根據(jù)參考文獻(xiàn)^[6]可知在火災(zāi)下，結(jié)構(gòu)整體承載能力極限狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)為： 

(1)結(jié)構(gòu)喪失整體穩(wěn)定。 

(2)結(jié)構(gòu)達(dá)到不適于繼續(xù)承載的整體變形，其界限值可取為 。

(3)對于整體變形，跨中撓度應(yīng) 。

現(xiàn)研究結(jié)構(gòu)破壞時的時間和溫度。由圖4可知，取梁跨中撓度最大一點(diǎn)和柱端橫向位移最大一點(diǎn)分別畫出其位移隨時間的變化曲線。分別如下（圖5、圖6）：

圖5 梁跨中撓度最大點(diǎn)的時間—位移關(guān)系           圖6 柱端橫向位移最大點(diǎn)時間—位移關(guān)系

現(xiàn)根據(jù)溫度分析和結(jié)構(gòu)分析,得到跨中撓度最大點(diǎn)的撓度為22mm時，溫度約為769.39℃，對應(yīng)的時間為31分鐘。

下面看橫向整體變形，同樣有ANSYS分析可知，當(dāng)時間為31分鐘(1860秒)時，此時其橫向的位移變?yōu)?/span>45.6mm, ,橫向位移不起控制作用。因此當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在框架結(jié)構(gòu)的底層邊跨時,.耐火時間約為31分鐘，破壞時的溫度約為769.39℃。

2.2 火災(zāi)發(fā)生在底層中跨、頂層邊跨、頂層中跨抗火反應(yīng)分析 

同樣方法建立模型進(jìn)行抗火反應(yīng)分析得出當(dāng)梁底層跨中達(dá)到整體變形極限狀態(tài)L/250=22mm時，對應(yīng)的溫度為721.38 ,對應(yīng)的耐火時間為26分鐘。采用與上面同樣的分析方法（具體模型略），可以得到當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在頂層邊跨時，臨界溫度為786.66 ，對應(yīng)的耐火時間為33分鐘；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在頂層中跨時，臨界溫度為741.09 ，對應(yīng)的耐火時間為28分鐘。

3  結(jié)語

通過假定火災(zāi)發(fā)生在不同層的不同房間內(nèi)，采用溫度—結(jié)構(gòu)的間接耦合的方法得出結(jié)構(gòu)的臨界溫度和耐火時間結(jié)果如下：

表1火災(zāi)發(fā)生在不同位置的抗火分析總表