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    基于FDS温度场的一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一一种重要结构形式,对其进行火灾下的一受力 性能分析是结构抗火设计必不 可少的一一部分 。本文以某重大工程网架结构为研究对象,以FDS模拟得到的一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一一种重要结构形式,对其进行火灾下的一受力 性能分析是结构抗火设计必不 可少的一一部分 。本文以某重大工程网架结构为研究对象,以FDS模拟得到的一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一整体变形及受力 性能 。分析结果与现场检测结果基本吻合,验ζ证了模型分析的一准确性 。本文结论对火灾受损后结构的一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 可少的一一部分 。 目前国内外对网架的一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一研究还处于初步阶段 。杜咏[1]过对受支座约束的一网架结构在非均匀温度场中的一力 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一影响规律,提出了考虑支座约束影响的一正放四角锥网架结构临界温度的一计算︻方法 。邱林波[2]采用ABAQUS对火灾下网架结构的一力 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一影响,提出火灾下网架结构承载能力 极限状态的一判定标准 。邹文平[3]建立了考虑升降温火灾全过程及火灾后网架力 学性能分析的一有限元模型,对火灾全过程中网架结构的一变形,内力 重分布及火灾后承载力 进行了研究 。白音[4]等对高温下的一网架结构进行了非线性分析,并提出了采用修正的一拟夹层板法估算︻网架结构在火灾下的一最大位移 。

    以前的一研究均为基于假设温度场下的一网架抗火性能研究,其结果的一正确性需进一步验ζ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模拟得到的一结构温度场分布,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一整体受力 及变形特性 。有限元分析结果与现场检测结果相吻合,表明本文建立的一火灾全过程有限元模性的一正确性 。分析结果为灾后网架结构的一修复与加固提供一定的一参考 。

    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,网格划分后的一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    的一荷载按照火灾发生时的一实际情况选取▓定 。火灾发生时,作用在网架结构上    的一实际荷载有构件自重,网架上    下覆盖的一金属自重,网架上    悬挂的一竖向玻璃幕墙荷载,网架上    悬挂的一灯具自重,楼梯荷载,天沟荷载以及暖通静压箱荷载等;结构分析时不 考虑活荷载的一作用 。网架结构的一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,滑动后的一承载力 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一情况,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,通过设定相应的一荷载位移曲线来模拟滑动支座在平面内自由滑动的一特性 。

    2 高温下钢材特性

    2.1 高温下钢材的一应力 应变关系

    网架构件所用钢材型号为Q345B,常温下钢材的一屈服强度标准值取▓,钢材的一极限强度标准值为,钢材的一初始弹性模量为 。ANSYS分析中钢材采用多线性随动强化模型,高温下№和高温后的一钢材应力 应变关系按欧洲规范EC3:Part 1.26的一约定选取▓,高温下钢材的一应力 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 高温下钢材的一物理特性

    高温下钢材的一物理特性根据CECS 200:2006《建筑钢结构防火技术规范》[7]相关规定选取▓ 。钢材的一热膨胀系数取▓,钢材密度为7850 ,泊松比为0.3 。

    3 网架温度场分布

    作用于网架结构的一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一特性(防火涂层的一导热系数,厚度为4mm,密度及《建筑钢结构防火技术规范规范》(CECS 200:2006)的一相关规定,计算︻得到网架节点温度,通过APDL二次开发程序,将温度以体荷载的一形式施加在网架的一各个节点 。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,温度场在网架中的一分布呈现不 均匀性,火灾主要集中在网架的一中部、南侧№和东侧,网架西侧基本没有受到火灾的一影响 。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一南侧边缘构件 。最小位移为-41.7mm,最大位移为16.9mm(图4a)) 。随着温度的一增加及温度分布的一变化,网架结构的一最小竖向位移向着荷载及温度较大的一中心部位移动,最小竖向位移发生在网架上    悬挂马道部位,在t=491s时,马道部位的一最小位移为-83.13mm,最大位移依然位于悬挂玻璃幕墙的一南侧边缘,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一杆件均没有屈服,最大拉应力 为,位于荷载较大的一马道部位 。随着温度的一升高,钢材屈服强度降低,温度荷载较大的一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  。随着温度场分布的一不 断变化,t=917s时,最大塑性应变发生在温度较高的一网架东南侧构件中,最大等效塑性应变为0.0296 。t=1343s时,最大塑性应变发生在网架东北侧的一构件中,最大等效塑性应变为0.0031 。在整个火灾过程中,网架结构的一最大塑性应变为0.0075,发生在温度较高的一网架东北侧 。

    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,位于东侧的一123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方向的一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方向的一破坏 。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,位于网架东侧的一部分杆件轴线弯曲偏差超过《钢结构工程施工质量验ζ收规范》(GB 50205-2001[4]的一允许值 。图5显示了ANSYS分析的一到的一网架东侧下弦杆件在温度荷载作用下的一变形图,可以看出ANSYS分析结果与现场检测结果具有相似的一规律性 。

     

        
    (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一变形及应力 分布进行了研究,得到如下结论:

    1 温度场的一分布情况对网架结构的一变形及应变有较为明显的一影响 。从本文的一分析结果来看,随着温度场分布的一变化,网架结构的一最小竖向位移向温度大、荷载大的一部位移动;结构的一塑性应变也随着温度场的一变化而变化 。

    2 由于温度荷载主要集中在网架的一东侧,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一三个滑动支座X方向的一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,表明本文建立的一有限元模型具有一定的一正确性 。

    4)本文分析方法为网架结构在温度荷载作用下的一受力 变形性能分析提供可行的一方法,为火灾后网架结构的一修复与加固给出一定的一参考 。

    参考文献

    [1] 杜咏,李国强.考虑支座约束影响的一网架结构抗火性能[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一力 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ζ收规范[S]. 北京:中华人民共№和国国家质量监督检验ζ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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