钢框架结构的抗火反应分析与研究

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钢框架结构抗火反应分析与研究 

 [摘要]：采用非线性有限元理论，对钢框架结构抗火反应全过程进行分析,就是想通过获得框架结构在火灾中的工作性能，为结构的稳定性分析和模拟试验研究提供一些参考，为科学的综合防火设计提供评价方法。

[关键词]：钢框架    抗火   非线性   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

钢结构以其强度高、重量轻，施工周期短等优点，在我国厂房等建筑中已经得到了广泛的应用。由于目前因为钢结构抗火性能差，容易在高温下产生软化屈服^[1]，而需在钢结构抗火设计中引起高度重视。目前较高厂房中设置一个夹层（此夹层一般都为钢框架）作为办公、休息的结构形式在国内出现的越来越多，如销售汽车4S店等都为此种结构形式^[2]。而这种厂房由于用途比较广，结构更复杂而在防火设计中更应该引起设计师的关注。 

2 计算模型及分析方法 

本文所分析的问题为一个二层三跨连续钢框架，层高3米，柱间距5.5米。所有柱脚固接。所有横梁都受均布荷载作用，荷载值为30KN/M.梁为I字型梁（H350X175X7X10），柱为热H型钢(H390X300X12X20). 假定火灾分别发生在底层和上层的任意一个防火间,该防火间内温度随时间按标准火灾模型上升。接着考虑通过ANSYS的藕合分析来实现由空气的温度分布到结构的温度分布再到结构的反应整个过程^[3]。在发生火灾时因防火间独特的作用，而仅会使防火间内部的结构构件有明显的温度上升。ANSYS的梁单元仅能模拟沿截面线性温度分布，为了能准确模拟截面的非均匀温度分布等现象，构成防火间的梁和柱将采用SOLID90单元用于传热分析，采用与SOLID90单元相对应的SOLID95单元用于结构分析。而其他房间采用梁单元。

2.1 火灾发生在底层边跨 

2.1.1 温度场分析与计算 

    采用SOLID90三维20节点六面体单元，定义导热系数等热分析材料特性;定义受火作用边界，对受火边界施加热辐射等; 定义瞬态分析初始温度为20'C，及初始步长为20秒。然后按照ISO-834曲线对构件进行温度计算^[4]，得出每个荷载步(时间)下钢梁沿截面和长度范围内各个点温度。见下面图1、图2

    图2 跨中一点的时间-温度曲线

图1 框架温度分析结果

   2.1.2 结构分析与计算 

   将单元定义为与热分析单元SOLID90相耦合的SOLID95单元，定义常温下屈服应力、弹性模量、泊松比、热膨胀系数，以及随温度变化的弹性模量、应力应变关系等结构分析材料特性。

接下来对二层三跨框架结构的其他房间建立模型。由于在此分析中，火灾发生在底层第一个房间，其他房间只有力学荷载。因此可将其他部位定义为梁单元。值得注意的是在两种单元的结合处采用约束方程以保证变形协调^[5]。

下面施加荷载与约束，把所有柱角都看成固定端，在框架右侧柱端施加侧向水平支撑。先进行静力分析（考虑大变形），然后设置分析时间范围，读入上面温度分析时得到的温度分布，定义时间步长（本例为20秒）进行瞬态分析。即可得到任何时间，在温度和荷载耦合作用下结构任意一点的应力和变形。模型和计算结果如图3，图4。

图3 火灾发生在底层边跨时ANSYS计算模型

图4 火灾发生在底层边跨时ANSYS分析结果（挠度，米）

根据参考文献^[6]可知在火灾下，结构整体承载能力极限状态的判别标准为： 

(1)结构丧失整体稳定。 

(2)结构达到不适于继续承载的整体变形，其界限值可取为 。

(3)对于整体变形，跨中挠度应 。

现研究结构破坏时的时间和温度。由图4可知，取梁跨中挠度最大一点和柱端横向位移最大一点分别画出其位移随时间的变化曲线。分别如下（图5、图6）：

图5 梁跨中挠度最大点的时间—位移关系           图6 柱端横向位移最大点时间—位移关系

现根据温度分析和结构分析,得到跨中挠度最大点的挠度为22mm时，温度约为769.39℃，对应的时间为31分钟。

下面看横向整体变形，同样有ANSYS分析可知，当时间为31分钟(1860秒)时，此时其横向的位移变为45.6mm, ,横向位移不起控制作用。因此当火灾发生在框架结构的底层边跨时,.耐火时间约为31分钟，破坏时的温度约为769.39℃。

2.2 火灾发生在底层中跨、顶层边跨、顶层中跨抗火反应分析 

同样方法建立模型进行抗火反应分析得出当梁底层跨中达到整体变形极限状态L/250=22mm时，对应的温度为721.38 ,对应的耐火时间为26分钟。采用与上面同样的分析方法（具体模型略），可以得到当火灾发生在顶层边跨时，临界温度为786.66 ，对应的耐火时间为33分钟；当火灾发生在顶层中跨时，临界温度为741.09 ，对应的耐火时间为28分钟。

3  结语

通过假定火灾发生在不同层的不同房间内，采用温度—结构的间接耦合的方法得出结构的临界温度和耐火时间结果如下：

表1火灾发生在不同位置的抗火分析总表 

火灾发生位置

临界温度

耐火时间

底层边跨

769.39

31分钟

底层中跨

721.38

26分钟

顶层边跨

786.66

33分钟

顶层中跨

741.09

28分钟

通过上表可以看出:在这个二层三跨无防火保护的钢框架结构中，火灾发生在不同的房间，得到的耐火时间和临界温度有所不同。纵向看，火灾发生在底层更不利:横向看，火灾发生在跨中更不利。这与实际情况是相符的。因为火灾发生在底层时，其上面的荷载较大，在相同的温度变化情况下，会更早的失去稳定甚至倒塌。同样，火灾发生在跨中时，两边的结构对其起到约束作用，使其在水平方向位移较小，导致跨中竖向位移增大较快，最终达到整体竖向变形极限状态。上述实验结果可为结构稳定性分析和模拟试验研究提供一些参考，也为科学的综合防火设计提供一种评价方法。 

参考文献 

[1] 工学谦.建筑防火[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[2]刘晓、王兵,钢结构住宅的发展趋势[J], ]steel construction,vol.18,No.66,22

[3] 刘坤,吴磊等.ANSYS有限元方法精解[M].北京:国防工业出版社,2005.

[4] 李国强、蒋首超、林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].中国建筑工业出版社，1999.

[5] 赵金城，沈为平.局部火灾下钢框架结构整体性能的非线性分析[J].上海交通大学学报.1997,18(4):55-59.

[6] 涂善东.高温结构完整性原理[M].科学出版社,2003.