鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
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。本文以某實際工程網架結構為依托，通過利用FDS火災模擬計算軟件分析網架空間位置溫度-時間曲線，考慮了防火涂料對鋼材實際受熱溫度的影響，并采用ABAQUS有限元軟件，分析在熱-力耦合作用下網架結構的力學性能。通過對網架結構在常溫和高溫時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，對過火結構的損傷做出判定，分析計算結果與過火結構現場檢驗符合較好。
關鍵詞：空間網架；溫度；熱-力耦合；抗火
1 引言
空間鋼網架結構已在建筑領域得到廣泛應用。我國上海體育館采用直徑110m 大面積網架結構作為屋面的支撐體系；現已建成的天津科學宮，網架尺寸及高度達到 
，而用鋼量僅為6.3 ；我國深圳國際機場航站樓屋頂部分的設計，同樣采用了網架支撐這一結構形式[1]。
鋼網架結構體系的快速發展，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；并且具有簡單易懂，設計計算簡便等優勢。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構件的抗火試驗，而后通過試驗數據歸納承重構件受火時的內力狀況[2]。但這種方法只局限于構件本身，未考慮周圍桿件對其作用，而且也很難準確設置端部約束[3]。近年來，性能化設計及評價結構抗火能力的方法發展迅速。因其具有真實、準確性，已逐漸得到了國內外學者的認可[4]。
杜詠、李國強[5]利用有限元軟件對不同約束剛度網架的抗火性能進行研究，提出了隨著支座剛度的下降，網架結構的抗火能力會有提高。李耀莊、朱國朋[6]等使用ANASYS軟件對某大空間網架耐火性能進行分析，認為網架中某些桿件的損壞不會影響整體結構繼續承受外載。尹越、袁鐵柱等[7]采用FDS軟件確定某廠房內部火災發生時空間溫度分布狀況，其模擬結果與實測數據符合較好，驗證了FDS軟件對火災溫度場模擬的實用性。
雖然人們利用性能化方法已取得一些研究成果，但仍有需要改進的方面和積累更多實例素材的必要。本文從實際工程出發，利用FDS軟件模擬室外火災發生時的結構空間溫度場。作者在考慮防火涂料的作用下，采用ABAQUS非線性數值分析軟件模擬空間網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。火災后經現場檢測，建筑物過火面積達到8490m2，直接造成經濟損失約16383萬元。
本文選取C區網架進行結構抗火性能研究，圖1為網架區域分布圖。
圖1 網架區域分布圖
C區網架結構位于主樓東側19～27層，網架高度46.4m，跨度為39.59m，網格形式為雙層正放四角錐網架結構，上下弦規則網格的邊長為3～3.5m，單元網格厚度3.52m。該網架由六種不同規格的空心圓管組成，具體尺寸及數目詳見表1。
表1 網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，但經過科學檢驗，并考慮到實用性，可以近似認為該參數不隨溫度而改變，在研究時將其設為常數。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。在高溫狀態下，材料的強度和剛度都會發生顯著的下降。
1、材料的彈性模量和泊松比
經試驗確定，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，材料已無明顯的屈服平臺。因此，研究者通常采用鋼材的名義屈服強度來代替真實屈服強度。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-應變關系
描述鋼材高溫下的本構關系模型有很多種，其中以分段直線模型較為簡單常用，但其與材料真實的本構曲線相差較大，故一般情況下不建議使用直線模型。文中采用歐洲EC3規范介紹的材料應力-應變關系計算模型[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-應變關系曲線
4 空間網架結構溫度場計算方法
4.1 網架環境溫度的確定
該網架結構區域范圍較大，在溫度計算時不能采用區域模型進行結構溫度研究，宜使用場模型來確定網架各位置的溫度數值。
為使研究模型與實際情況相符，利用FDS軟件來確定網架各節點在火災過程中溫度變化情況。通過對室內火災荷載的調查及結構損傷程度的檢測，將實際計算參數輸入軟件中，得到網架425個節點溫度隨時間變化曲線，圖3繪出了其中15個節點的溫度變化曲線。
4.2 鋼管桿件表面溫度確定
網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境溫度要小，在利用ABAQUS軟件分析結構高溫下受力性能時，需要對環境溫度進行相關處理。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 網架結構部分節點環境溫度變化曲線圖
對于有薄涂型防火涂料結構面層溫度的計算，采用增量形式進行處理。式1給出了計算方法[9]。
依據公式1，繪制了經處理后對應的15個節點鋼管表面溫度變化曲線，如圖4所示。
5 網架結構受力性能分析
常溫下，由于空間網架結構單元形式規則，空間連接緊密，整體穩定性能良好，不會因局部桿件的破壞而發生整體倒塌。然而，在高溫狀態下，網架桿件會受溫度的上升而膨脹，受力性能和結構的穩定將發生變化。基于此點，本文將詳細分析網架結構在常溫和高溫情況下的力學性能。
圖4 網架結構部分節點桿件表面溫度變化曲線圖
5.1 常溫下網架受力分析
經傳熱學分析，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生彎曲的特性，文中采用網架梁系計算模型。在ABAQUS有限元分析軟件中使用單元類型為B32的梁單元來建立網架模型；截面形狀及材料屬性按文中規定的參數輸入；支座種類按照設計圖紙，采用固接和鉸接組合連接；作用在網架上的荷載包括桿件自重、網架內外表面分布荷載及風管荷載。
圖5 網架結構常溫下桿件應力分布圖(MPa)
經計算分析，得到常溫下網架在外載作用時桿件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 高溫下網架受力分析
在施加溫度邊界條件后，得到網架在高溫狀態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，出現在網架的角部；此外，網架結構支座附近的桿件具有較大的應力。總的來說，桿件的應力值均較常溫有所增加。作者認為原因如下：
1）溫度場因素
火災發生的位置及蔓延路徑對溫度場的分布影響很大，而溫度會直接影響材料屬性。由于火勢沿外部裝飾材料燃燒，外層網架溫度比內層網架溫度要高，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的降低。在相同荷載作用下，剛度的降低會使桿件的變形增加，而多余的變形又會增大桿件的附加內力。
3）約束原因
對于超靜定結構來說，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。而這種自由性會使桿件的附加內力增大幅度降低，而且材料的軟化也會降低多余內力的影響。
而網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，就會使桿件截面內力持續積累，造成局部應力過大現象。
圖7 高溫下網架桿件應力云圖(MPa)
圖8為網架高溫下桿件豎向位移分布云圖。
從網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生偏大的撓度值，進而嚴重影響網架的局部承載能力。
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 。
由上述判據及網架達到最高溫度時的撓度值可知：網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，網架局部桿件撓度值過大，已超過桿件承載力判據。因此，可以這樣認為：網架結構在受火過程中，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 高溫下網架桿件豎向位移云圖(mm)
6．結 論
基于上述對網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，某些桿件已進入塑性階段。
對撓度而言，遠離支座的桿件在高溫下撓度值較常溫時增大5倍左右。而支座附近桿件高溫下撓度增加幅度比跨中桿件撓度增加幅度更大。
對于支座附近桿件破壞嚴重的現象，可以通過適當減小支座剛度的方法來加以改善，這樣會使溫度應力得到有效釋放。
2）通過判定準則可知，網架在火災過程中整體性能良好，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，本文網架結構抗火性能分析引入了保護層概念，并通過公式1將施加在結構上的溫度進行了處理，這樣做可與實際工程相符，更加具有研究價值。
4）在研究方法上，文獻[10]是將溫度作為節點荷載施加到網架上，材料高溫屬性取升溫后的鋼材性能。這種方法雖較為簡便，避免了熱-力耦合的復雜操作過程，但該研究具有階段性，沒有使結構的受力性能隨溫度連續性變化，與實際情況有一定出入。
文獻[11]是將最大環境溫度施加在某些主要的受力區域，即采用區域模型進行網架受火分析。對大空間結構而言，火場中各位置的溫度是不同的，若設置為相同溫度會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，與真實情況更為相符。
趙 斌1 劉棟棟1 劉 娜2（1.北京建筑工程學院，北京 100044；2.北京市市政工程設計研究總院，北京 100082）
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