建筑结构抗火设计研究

建筑结构抗火设计研究（通用8篇）

建筑结构抗火设计研究 篇1

摘要：介绍了大跨度建筑的火灾特点, 结合大跨度钢结构自身的特点, 分析了火灾中钢结构的稳定性承载力及临界温度和耐火极限, 提出应当采用各种技术手段, 对大跨度建筑钢结构进行科学的性能化抗火设计, 以保障大跨度钢结构建筑的防火安全。

关键词：大跨度建筑,钢结构,抗火设计

随着社会的发展, 我国城市化建设的速度不断加快, 建筑行业得到了长足的进步。大跨度建筑以其多方面的优势, 逐渐得到了越来越广泛的应用, 例如大型商场、机场车站、世博展馆、奥运场馆等。钢结构具有污染少、投资回报快、抗震性能好、施工周期短、安装容易、自重轻等优势, 已经成为当前建筑领域最为主要的建筑结构形式之一。但是, 钢结构的耐火性能十分有限, 在火灾来临的时候, 其刚度和强度下降很快。同时, 大跨度建筑钢结构面积较大、空间广阔, 容易促使火灾的扩大化, 因而具有很大的火灾风险。

1 大跨度建筑火灾特点

如果建筑物发生火灾, 通常可以利用防火防烟分区对火势进行控制。但是在大跨度建筑当中, 防火隔烟措施无法有效的利用, 因此火势很容易蔓延。在普通建筑中, 对烟气浓度或温度可以利用火灾探测器进行探测。但是大跨度建筑由于空间广阔, 在空气稀释作用下, 烟气浓度或火灾温度受到降低, 无法及时启动火灾探测器。同时, 在普通建筑中, 在棚顶安装洒水喷头能够有效的控制火势。但是, 在大跨度建筑当中, 由于受到与火灾探测器相同的条件限制, 这种洒水喷头也无法发挥出良好的效果。

在实际应用中, 大跨度建筑通常都是人员较为密集的场所。一旦火灾来临, 无法在较短的时间内对人员进行有效的疏散, 容易造成人员被困火场的危险局面, 给消防工作带来了极大的麻烦。由于大跨度建筑的钢结构就是建筑物的骨骼, 一旦发生火灾, 在大火和高温的影响下, 钢结构将会变得十分脆弱, 承载力将会严重下降, 这样, 将很有可能导致建筑物顶棚坍塌, 或者是主体结构倒塌, 将会对火场中被困的人员和财产造成极大的危害[1]。相比于普通的建筑物火灾, 大跨度建筑发生火灾最大的特点在于, 建筑物内部的空间过大, 因此在大跨度建筑中, 通常不会出现普通建筑火灾中设备可燃物同时燃烧的情况。火灾会在一定的区域内相对集中, 空气温度的上升也不会像普通建筑火灾那样迅速。

2 火灾中钢结构稳定性承载力

2.1 有限元的基本原理

有限元法在连续体力学领域当中, 是一种十分有效的数值分析方法, 最初用于分析飞机结构。随着科技的不断发展和应用, 在工程建筑领域当中, 有限元法逐渐替代了传统的模型试验法, 同时也取代了很多模型试验工作的内容。在工程结构当中, 需要对几何与材料的双重非线性进行考虑。其中, 几何非线性问题通常用于钢结构的大挠度、大位移, 而材料非线性通常是研究非线性弹性和非线性弹塑性等问题。在实际应用当中, 还需要对结构非线性平衡方程进行计算, 主要采用的则是增量迭代计算法。

2.2 火灾中钢结构非线性分析

在火灾影响下, 钢结构可能会发生局部失稳和整体失稳两种失稳情况。局部失稳主要是局部的结构刚度消失或软化, 使得位移与荷载之间的关系会从平衡位置偏离, 局部出现较大的几何变位。整体失稳是整体结构出现软化屈曲和变形, 产生较大的位移, 同时偏离平衡位置。对于钢结构的非线性方面, 主要包括几何非线性和材料非线性两个方面[2]。相比于跨度来说, 钢结构的厚度很小, 因此常温下钢结构几何非线性十分重要。在火灾的作用下, 钢结构的双重非线性将会得到十分明显的体现, 因此在进行非线性分析的时候, 应当对几何非线性和材料非线性进行综合考虑。

2.3 高温下钢结构的性能

在火灾高温的影响下, 钢结构的性能将会产生十分明显的变化。其中, 与性能化抗火设计相关的性能主要是物理性能和力学性能。其中物理性能主要包括密度、比热、热传导系数、热膨胀系数等, 通过这些因素对结构内的温度进行计算。而力学性能主要包括应力应变本构关系、弹性模量、屈服强度等, 通过这些因素, 对构件的抗火性能、高温下结构的形变和内力进行计算。其中高温下钢结构的屈服强度和温度的关系如图1所示, 弹性模量与温度的关系如图2所示。

3 火灾中钢结构临界温度和耐火极限

在火灾当中, 当钢构件达到抗火承载能力的极限状态时, 其所承受的最大温度, 就是钢构件的临界温度。而在钢结构达到抗火承载能力的极限状态时, 所有构件的最大温度就是钢结构的临界温度[3]。钢构件的临界温度和钢结构的临界温度, 统称为钢的临界温度。在火灾的破坏作用下, 钢构件和钢结构容易受到压力而发生屈曲或拉断, 进而导致钢结构主体倒塌。对火灾当中钢结构的临界温度和耐火极限进行分析, 通过对钢结构构件的破坏路径进行跟踪, 对钢构件的局部失效、传播扩散、整体结构破坏等过程进行分析, 进而得出相应的结论。

在有限软件对火灾的模拟过程当中, 主要包括常温加载和恒载升温两个阶段[4]。常温加载是施加节点静力荷载在结构中, 对常温下实际结构荷载进行分析, 从而取得构件的形变和内力。恒载升温是施加节点温度荷载在结构上, 对火灾中的升温过程进行模拟, 在不断升温的过程中, 对构件和结构的破坏情况进行观察和分析。

通常来说, 在大跨度建筑当中, 钢结构的主要功能就是对外部荷载进行受力。在火灾当中, 钢结构构件内部的温度会不断上升, 钢结构的屈服强度和弹性模量将会降低, 从而影响钢结构的承载能力。钢结构的承载能力不断下降, 一旦其下降到与火灾中外荷载产生的组合效应相同的时候, 钢结构就达到了火灾承载力的极限状态[5]。在恒载升温测试中, 如果钢构件等效塑性应变大于0.2%, 应判定其失效, 采用单元生死技术将其杀死, 之后继续测试分析, 直到整体结构破坏失稳为止, 就能够判断出大跨度建筑钢结构的临界温度和耐火极限。

4 结语

大跨度钢结构建筑是当前建筑领域当中十分常用的建筑形式之一, 具有很多方面的优势。但是, 其劣势也十分明显, 尤其是其抗火性能更是十分有限。而这种建筑通常都是人员和财产较为密集的场所, 因此一旦发生火灾, 火势很难得到控制, 将会很容易造成重大的人员伤亡和财产损失。对此, 应当采用各种技术手段, 对大跨度建筑钢结构防火性能相关参数进行计算, 从而正确的进行性能化抗火设计, 保障大跨度钢结构建筑的防火安全。

参考文献

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[2]史健勇, 孙旋, 刘文利, 等.基于整体的大空间钢结构性能化防火设计方法研究[J].土木工程学报, 2011, 10 (5) :69-78.

[3]李国强, 李兆治.钢结构性能化抗火设计的初步设想[J].消防科学与技术, 2012, 10 (1) :46-48.

[4]朱杭.高层建筑钢结构性能化防火设计方法与应用[D].上海:上海交通大学, 2011.

[5]王烨华, 沈祖炎, 李元齐.大跨度空间结构抗火研究进展[J].空间结构, 2012, 10 (2) :3-12.

建筑结构抗火设计研究 篇2

1确定短柱的方法

根据相关要求，短柱的定义为柱子净高(H)比截面高度(h)，即H/h≤4时，将该柱称为短柱，在建筑施工中，施工技术人员对短柱进行判定的时候多数都按照该判定方法来确定。该判定方法用到的参数只是层高与柱截面的关系，而对柱本身的内力关系没有应用.

2提高短柱延性的措施

2.1使用钢管混凝土柱

在薄壁圆形钢管内填入混凝土构成的结构即为钢管混凝土。钢管对混凝土产生侧向约束力，混凝土处于受压状态，混凝土的抗压强度及极限压应变能力都得到提升，特别是对高强度混凝土延性的改善效果非常明显。除此以外，结构中钢管不但发挥了横向箍筋的作用，也发挥了纵筋的作用，管径与管壁厚度比值小于90，类似于混凝土配筋率超过4.6%，明显超出抗震要求中混凝土配筋率要求。由于此类结构的抗压强度与抗变形能力非常好，即便是在高轴压比下，受压区都不会出现先破坏的现象，与钢柱相比，也不会出现屈曲失稳情况。所以，为了对截面转动能力进行控制，对轴压比限值不需要限定。

2.2使用钢骨混凝土柱

将混凝土外包于钢骨即可构成钢骨混凝土柱。一半情况下钢骨的类型包含十字形截面、口字形截面和工字形截面集中，和钢结构对比，钢结构构件局部可能出现屈曲，而钢护混凝土柱由于钢构件外部包裹有混凝土，不会发生屈曲现象，柱子的整体强度得到了加强，钢材的强度可以有效的发挥出来。而且与一般钢结构柱相比，采用钢骨混凝土结构可降低一半以上的钢材用量。而与混凝土结构相比，由于钢骨的存在，使柱子的承载力大大提高，柱的截面积也有效的降低，由于混凝土在钢骨翼缘及箍筋作用下受到约束，提高了混凝土的延性，柱的延性与耗能能力都得到加强。该结构类型中，对混凝土与钢材的优势都得到了最大限度的发挥，具有延性好、截面小、自重轻等优势，在高层建筑中的应用对抗震性能可有效的改善。

2.3使用分体柱

对于短柱而言，其抗弯承载力与抗剪承载力要大很多，所以在地震作用下，抗剪承载力如果受到破坏后，抗弯强度再大也都无法发挥出来。所以，可将短柱的抗弯强度人为性的降低，使其略低于抗剪强度即可，在地震条件下，柱子抗弯强度受到发挥出现，呈现延性破坏作用。为了使抗弯强度降低，在柱中可沿竖向设置缝隙，将短柱一分为二或四部分，构成分体柱，各分体柱均单独配筋，在分体柱之间设置连接缝，使各分体柱的初期刚度增加。相关研究显示，分体柱与整体柱相比，抗剪能力基本一致，抗弯承载力降低，这就使柱子的变形能力与延性都得到了提升，由原来的抗剪型破坏形态转变为弯曲型破坏形态，也将短柱消除，变为分体长柱，对剪跨比λ≤2时的抗震性能有效的进行了改善。

3结语

对短柱进行判断时，采用剪跨比λ≤2作为判断依据，要将短柱的截面尺寸尽可能的减小，使短柱的承载能力尽可能的提高，对短柱的延性采用各种方法进行提升，有效的提高短柱的抗震性能。在实践中，钢管混凝土、钢骨混凝土等结构类型，对短柱的承载能力提升效果非常显著，而分体柱在改善短柱抗震性能方面效果非常好。在高层建筑中的应用，也有效的减少了建筑底部几层结构中短柱及超短柱的出现，避免了因短柱脆性破坏造成的建筑抗震性能下降的问题出现。

参考文献:

[1]康洪涛，王兴洋.高层建筑抗震设计短柱问题的处理方案[J].科技信息，(12):412.

基于计算的钢结构抗火研究 篇3

关键词：钢结构,抗火,研究

1 引言

钢材虽为非燃烧材料, 但钢不耐火, 当建筑采用无防火保护措施的钢结构时, 一旦发生火灾, 结构很容易遭到破坏。从而导致整体结构的坍塌, 由此可以看出, 火灾对钢结构的建筑有较大的危害。

2 钢结构抗火设计的目标与意义

钢结构在我国有着广泛的前景。但也存在很多的制约因素, 其中最主要的一个是:钢结构的耐火性差。试验证明, 当温度为400℃时, 钢材的强度降至原强度的一半;温度超过600℃时, 钢材基本丧失其全部强度结构丧失承载力。所以, 要推广钢结构, 首先必须研究解决它的抗火问题。

3. 基于计算的构件防火设计方法

基于计算的构件防火设计方法, 要求考虑高温下建筑用钢的力学性能的变化, 确定钢结构的防火极限状态, 直至找到最经济的保护层厚度。

3.1 钢结构耐火极限状态及防火设计设计要求

一、当满足以下条件之一时, 则认为钢结构构件达到防火承载力极限状态:

(1) 轴心受力构件截面屈服; (2) 受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构; (3) 构件丧失整体稳定。

二、火灾发生到结构或结构构件达到防火承载力极限状态的时间为结构或结构构件的耐火时间。

三、结构的防火设计应满足下列要求之一:

(1) 在规定的结构耐火极限的时间内, 结构或构件的承载力应不小于各种作用所产生的组合效应Sm, Rd≥Sm

(2) 在各种荷载效应组合下, 结构或构件的耐火时间应不小于规定的结构或构件耐火极限tm, td≥tm

(3) 结构或构件的临界温度应不小于在耐火极限时间内结构或构件的最高温度TmTd≥Tm

3.2 真实火灾条件下构件耐火极限的计算公式

3.2.1 等效耐火时间的计算方法。

国内标准和国际标准目前都采用上述最后一种方法确定建筑结构的耐火性能, 即采用与标准火等效受火时间法。这种方法比较好地解决了真实火灾与标准火灾之间的关系, 即可根据实际情况通过计算确定所需耐火时间, 又可采用标准试验方法进行验证。

等效受火时间法是定义标准耐火试验受火时间的一种手段, 可以用于度量火灾条件下构件所应具备的耐火时间, 但不能用于构件的温度场和承载力分析计算。它给出的构件的临界温度与所考虑的房间火灾中构件的临界温度相同, 该临界温度可以是被保护的钢结构构件的钢材温度。

考虑发生火灾的概率、结构倒塌的后果、火灾的不完全燃烧因素和灭火系统的影响, 可得到等效耐火时间的计算式。

式中:qf:等效火灾荷载密度, MJ/m2;ks:与空间边界构件的热导率、比热容和密度有关的热惯性系数;kc:考虑火灾荷载燃烧程度的燃烧系数;wf:通风系数;rp:火灾的发生概率系数;rd:火灾引起结构倒塌的后果系数;rw:自动喷水灭火系统的作用系数。

3.2.2 钢结构构件耐火极限验算

由于真实的火灾温度时间曲线变化很大, 主要取决于火灾荷载密度和通风条件。另外, 火灾中传递到构件上的总热量取决于构件所接受的热通量。测试炉传热的辐射部分与真实火灾相比有所差异, 不可能在大范围的真实火灾条件下进行构件测试。因此, 验算时可以根据基于和真实火灾发展特性等效的标准温度—时间曲线进行。

火灾下的有效荷载就是构件在火灾时实际承受的荷载。火灾时构件承受的荷载对其耐火极限有很大影响。有效荷载大, 耐火极限低;反之则高。梁、板和柱构件是按照极限状态设计表达式来设计的, 具有较高的安全度。但考虑到火灾是构件在使用期内可能遭受到的偶然、短期作用, 火灾中人员的主动疏散等, 其安全度可适当降低。因此, 可以采用荷载的长期效应组合作为计算构件耐火承载力的荷载。荷载的长期效应是指永久荷载标准值加上可变荷载的“准永久值”所产生的荷载效应, 见下式:

式中:GG:永久荷载的荷载效应系数;GX:永久荷载的标准值;CQi:第i个可变荷载的荷载效应系数;φQi:第i个可变荷载的准永久值系数, 按建筑结构规范取值, 对避难层、上人屋面的人群活荷载、风荷载取1.0;Qi K:第i个可变荷载的标准值;rw:风荷载分项系数, 取0或0.3, 选不利情况;Cw:风荷载效应系数;Wk:风荷载标准值;rF:温度效应的分项系数, 取1.0;CF:温度效应系数;△T:构件或结构的温度变化。

在进行荷载组合时, 一般不再考虑同时发生地震等偶发事故。因此, 构件的耐火极限计算时, 只考虑火灾这一单一偶发事件的作用。

结论

本文在总结过去的研究成果基础上, 结合建筑高度、用途等和建筑物内的实际火灾荷载、通风条件等因素, 给出了钢结构单一构件的耐火时间计算方法, 以及钢结构构件的耐火验算方法, 但其实用性还未得到验证, 需要相关科研机构进行相关的实验以证明其可

参考文献

[1]李国, 蒋首超, 林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 1999.6.

[2]ECCS (European Convention for Construc-tional Steelwork) European Recommendations for the Fire Safety of SteelStructures, 1983.

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[6]李国强.钢结构抗火设计方法的发展[J].钢结构, 2000, (3) :47-49.

建筑结构安全度设计研究论文 篇4

建筑结构安全度设计着重表现在建筑结构自身的适用性性、耐用性和安全性。建筑结构设计通常以安全度来测试该建筑结构设计的适用性建筑结构设计的.适用性、耐用性和安全性。建筑结构的适用性强调建筑物在投入使用后具有很好的适用能力性强调建筑物在投入使用后具有很好的适用能力，能使建筑物各属性发挥最大作用物各属性发挥最大作用。建筑结构的耐用性则重视建筑物在日常使用和一定安全保护下的使用寿命日常使用和一定安全保护下的使用寿命，建筑适用时间的设计计。建筑安全性是指建筑能在一定外力作用下仍安全使用，具备一定的抗震能力具备一定的抗震能力，以此保护建筑物的稳固、安全。

国内外钢结构抗火的研究状况 篇5

钢结构抗火分析的过程非常复杂, 需要考虑的因素和变量很多, 如火的燃烧曲线、高温时材料力学性能、材料的徐变、蠕变、几何非线性、材料非线性和杆件温度的不均匀分布等。由于对高温下钢结构特性的了解不多, 过去一般采用隔热材料使钢结构达到抗火要求。随着人们知识水平提高和计算机的发展, 钢结构的抗火分析已经发生重大的改变, 从单个钢构件的试验方法发展到考虑火灾及结构特性的计算分析方法。最常用的方法有:基于试验的设计方法和基于计算的设计方法。

1 基于试验的设计方法

因知识水平的限制, 20世纪70年代以前, 钢结构抗火分析主要以试验为依据, 只要对比由试验得到的耐火时间满足规定的耐火极限即可。但是基于试验的钢结构抗火分析存在很多问题[1,2], 譬如:耐火时间、耐火等级不易确定;构件在结构中的受力难模拟;构件受火后产生的温度应力在试验中难以准确反映。另外, 试验方法本身存在一些缺陷[3], 火灾试验所用的燃烧炉与实际火灾差异较大[4]。此外, 火灾试验中人为操作的因素较多, 不能真实反映构件的受火特性。到目前为止, 只有较少的高温钢结构试验[5,6,7], 但一定数量的火灾试验是必要的[8]。钢结构抗火试验经历了单个构件部分框架和整体结构三个层次, 不同层次试验结果表明整体结构的试验能真实反应结构的抗火特性。

1.1 基于试验的构件设计方法

传统上, 抗火设计以单个构件抗火设计为依据, 且承载力构件的抗火时间源于标准火灾试验[9]。对单个构件进行抗火试验容易实现, 其对试验装置、加载条件要求不高, 可方便在实验室内进行。简支工字形梁、简支角钢梁、简支细长楼板梁、钢-混凝土组合梁在标准火灾升温曲线下的抗火试验结果[8]表明:不同形式、不同荷载条件梁的抗火性能不同;火灾中高度越高的简支梁其抗火时间越短;钢-混凝土组合梁较纯钢梁抗火性能好;固接梁较铰接简支梁抗火性能好。对构件进行抗火试验可观察到其变形特征和破坏过程, 但基于试验的构件设计方法存不足:试验时以标准升温曲线模拟试验炉内火的温度, 而实际火灾升温和标准升温曲线的区别很大, 这就使得由试验得到构件抗火时间不能代替构件在实际火灾中的抗火时间。

1.2 基于试验的结构设计方法

单个构件的特性和框架中构件的特性不同, 框架中梁端的弯矩可降低其跨中的弯矩, 固框架中的梁较简支梁的抗火性能好。以单个构件的抗火特性评估整体结构的抗火特性不合理, 有必要对部分结构或整体结构进行抗火试验分析。

对三种不同连接方式、不同大小的平面框架进行火灾试验[3], 结果表明它们临界温度差别较大。实际火灾中结构的特性和标准火灾试验中结构的特性差别较大, 但构件的温度相差不多, 因自然火灾在后期阶段钢构件的升温不多, 而标准火灾试验中钢构件始终处于升温状态。对不同荷载水平和加热条件的三个平面框架进行火灾试验[8], 试验结果与单个构件的试验结果不同:单个构件在局部高温下会突然破坏, 且单个构件不考虑平面外失稳;框架结构在火灾中有可能因其平面外的失稳先于结构破坏而破坏。

构件的抗火分析要求每个构件都达到必要的抗火时间。实际上建筑结构在火灾下保持稳定没有必要每个构件都保持稳定, 如没这些构件, 其他未破坏的构件会提供新的传力路径而使整个结构仍然保持稳定, 这说明整体结构的抗火性能较构件、框架的抗火性能好。由于实际荷载、约束条件和火灾特性的不同, 标准火灾试验不能准确描述钢框架构件在实际火灾的特性。

不同火密度下整体钢结构的试验结果和平面钢框架试验结果相差较大[10], 从整体结构中选取部分框架来进行火灾试验, 其结果不能代表整体结构的特性。文献[11]提到火灾试验的结果不能反映结构在实际火灾中抗火特性, 且花费和技术的限制也使得对整个结构进行火灾试验来研究在实际火灾中结构的特性有难度, 所以对整体结构进行抗火的试验较少。但文献[12]中整体结构和部分结构之间特性比较表明, 同一结构中整体结构和部分结构的抗火特性相差小, 可用部分结构代替整体结构进行抗火分析。

2 基于计算的设计方法

由于钢结构抗火试验的上述缺陷, 人们试图通过计算进行钢结构的抗火设计。近二十年钢结构抗火计算取得了一定的成果, 并经历了下面几个阶段:

2.1 基于计算的构件设计方法

高温下钢构件计算分析的方法很多, 常用数值计算方法和弹塑性计算方法。文献[3]总结了在火灾下构件抗火设计的计算方法:梁的最终极限状态分析法;利用柱的曲屈曲线法;梁-柱构件的变形法和数值方法等。文献[13]采用朗金公式分析高温时单根钢柱的抗火特性;文献[14、15]采用弹塑性有限条法计算受压柱在高温下的临界荷载值及分析高温柱的抗火特性。文献[16]基于朗金原理分别考虑柱在某一温度下的强度和稳定, 并采用简化的刚塑性极限荷载考虑梁-柱效应, 但文献[16]没有考虑热梯度、初始曲屈、残余应力、侧向扭转曲屈和局部曲屈的影响。朗金方法考虑了温度效应对钢材的影响, 结果表明朗金公式收敛。朗金法对轴向受压构件不安全, 但对偏心受压柱特性过于保守。为能正确反应结构的抗火特性, 采用修正的朗金法分析轴心及偏心受压柱的抗火特性[17、18]。

2.2 基于计算的结构设计方法

结构作为一个整体工作和单个构件有很大的差别。火灾情况下, 结构中单个构件的破坏并不意味着整体结构破坏, 特别是钢结构, 其构件的数量一般较多, 当局部少数构件破坏后, 其他未破坏的构件可以提供新的传力路径而使结构继续工作。因此, 通过整体结构的抗火分析可以掌握传力路径的改变。基于计算的结构设计方法有以下三种方法:

2.2.1 有限元计算方法

钢结构抗火计算最通用、最有效的方法是有限元法, 它可研究复杂结构的抗火特性, 可考虑火灾中各种因素如材料非线性、几何非线性、不均匀温度分布和热应变的影响, 并得到结构火灾下的变形特性及非线性响应过程。

文献[11]由广义Clough模型建立单元弹性刚度方程, 考虑材料和几何非线性、温度沿框架构件截面不均匀分布和由温度变化所引起的内力, 由计算机程序计算火灾中钢框架的非线性响应和极限荷载。文献[12]采用有限元方法给出可精确预测火灾中框架结构特性的计算机程序。文献[19、20]采用基于有限元技术的数值方法分析平面钢框架的抗火特性。文献[21、22]采用高温下单元的切线刚度矩阵, 将材料、几何非线性和热应变效应转化为作用在结构上的热荷载, 通过Newton-Raphson法分析火灾中结构抗火特性。文献[8、23]采用单元总位移及和单元结点力相关的割线刚度矩阵、梁-柱单元模型的割线刚度矩阵, 同时考虑几何和材料非线性、大变形的二阶效应、高温下材料的软化、塑性区域在构件的纵横向逐步渗透和温度的不均匀分布等因素分析火灾中框架的特性。文献[24]采用考虑钢框架半刚性连接、材料和几何非线性、相邻连接构件高温特性和轴力影响的割线法分析火灾中框架特性, 并给出截面温度均匀和不均匀分布、有或无轴力时的割线刚度系数。文献[25]采用梁-柱单元计算结构的响应, 同时考虑火荷载、通风条件和热膨胀对框架抗火特性影响, 文献[25]中的有限元程序能真实考虑边界条件和温度沿截面不均匀分布影响, 得到较真实的结构抗火特性。

2.2.2 弹-塑性计算方法

弹塑性法是一种简化的计算方法, 其在计算前作了很多假定, 忽略了荷载的重分布和结构构件连续性的影响, 这就使得计算结果偏于保守。弹塑性计算方法和上界定理都不考虑几何非线性、局部及整体屈曲影响。

文献[26]用塑性力学中的三个经典塑性理论:即上界定理、下界定理和唯一性分析火灾中钢框架的特性, 且三个经典理论都采用双线性模型及梁-柱单元模型。文献[27]采用弹塑性方法分析半刚性框架在高温时的特性, 采用修正的拉格朗日法并在平衡和连续条件中考虑几何非线性的影响而得到框架抗火特性。文献[28]用塑性分析方法计算结构在火灾中破坏时的临界温度。

为弥补简单方法及有限元法的空白, 文献[29]基于弹性和塑性方法分析结构的抗火特性。弹性方法包括热荷载和静力荷载的相互作用;塑性方法是基于塑性铰的概念计算框架破坏时的极限温度。文献[30]采用框架受到爆炸荷载的弹性瞬态分析数值方法, 采用梁-柱单元和纤维单元模拟受到局部爆炸和火灾作用的整体框架的抗火特性。文献[31]提到高温时单个构件强度的降低使得框架的强度有所降低, 而框架强度的降低可通过结构弹性曲屈强度的降低反应。

2.2.3 朗金 (Rankine) 计算方法

文献[32]基于朗金原理确定钢框架极限温度, 通过在强度和稳定之间的迭代得到了框架的抗火计算方法—朗金计算法。文献[33]用朗金公式分析框架的抗火特性, 得到了框架在火灾下材料特性降低的曲屈系数。文献[33]计算结果比较表明, 由朗金公式计算得到的框架极限温度和试验结果较接近, 这说明可用朗金公式计算高温下框架的极限温度。

3 组合钢框架结构抗火分析

现有的研究表明, 钢筋混凝土楼板在火灾条件下会发生较大的变形, 这对提高整体结构的抗火性能是有利的。文献[34]首先把混凝土楼板的约束作用引入到组合钢框架的整体抗火分析中。其在模拟混凝土楼板时, 没有采用薄板理论的Kirchoff假定, 而是采用基于Mildlin/Ressner假定的厚板理论, 把混凝土简单地认为是各向同性材料, 忽略温度对材料特性的影响。在文献[34]基础之上, 文献[35、36]采用分层法模拟混凝土楼板的受火性能, 该法中的模型考虑了高温下钢筋和混凝土材料特性如:热膨胀、混凝土碎裂以及材料本构关系随温度升高而非线性退化的影响。文献[37]进一步推广此法, 在模拟混凝土时考虑几何非线性、热膨胀特性、拉伸膜作用、温度沿板厚方向不均匀分布等因素的影响。文献[38]给出考虑楼板拉伸薄膜作用的简单计算方法, 可在结构抗火分析中考虑组合楼板的作用。

4 空间钢框架结构抗火分析

空间结构是一个多阶超静定结构, 个别杆件的失效并不等于整个结构失效。当个别杆件失效后空间结构杆件之间的内力会通过内力重分布由未破坏的构件承担, 从而使整个空间结构还可以继续承受荷载。为了得到空间结构的抗火特性, 有必要了解空间结构的火灾特性。但常温下计算空间结构各构件的内力已经相当复杂, 要计算及考虑材料高温下屈服强度和弹性模量变化、材料非线性、几何非线性、温度变化等因素影响更不容易, 所以有关空间结构抗火的文献不多。但是随着计算机和计算技术的发展, 空间结构抗火分析取得了一定的成果。

文献[39]给出分析火灾下空间结构特性的3DFIDRE程序。3DFIDRE程序源于常温下刚性钢框架非线性的二维程序, 其考虑了几何非线性、材料非线性、升温时材料特性的改变、温度沿构件截面不均匀分布等因素影响, 分析了空间结构抗火特性。文献[40]根据修正的拉格朗日法和虚功原理建立了结构内力和位移增量方程, 采用非线性有限元方法, 同时考虑几何非线性和材料非线性的影响分析空间网格结构抗火特性。文献[41]把二维结构的弹性方法延伸到空间结构, 计算空间结构钢构件极限温度, 该法考虑火灾荷载、静力荷载和热荷载影响下整个结构特性;采用考虑双向弯曲及沿两个轴弯曲的破坏准则, 计算空间结构节点和构件的极限温度。文献[42]采用半刚性节点的梁单元分析空间结构弹塑性大变形。单元的非线性弹性切线刚度矩阵由修正拉格朗日公式的势能稳定原理得到, 而塑性变形增量由截面强度模量数值积分得到。

文献[43]采用梁-柱理论描述火灾中空间钢框架的塑性特性。梁-柱塑性模型基于边界曲面概念, 并可得到结构整体非线性特性。文献[44]采用三维非线性有限元法模拟组合钢框架在火灾中的特性, 组合钢框架被模拟成梁-柱单元、弹簧单元和非厚板单元的组合。梁-柱单元由二节点线性单元模拟, 单元的截面划分成大量的细小单元来考虑截面的温度、应力和应变;采用零长度的二节点弹簧单元模拟钢构件的连接特性;采用基于Mindlin/Reissner理论的分层平壳单元模拟厚板, 厚板每层可以有不同的温度和材料特性。

5 存在问题和研究方向

由以上综述可发现, 钢结构抗火研究还存在很多问题, 这些将是今后进一步研究的方向:⑴大多数试验或计算都是采用标准升温曲线 (ISO升温曲线) 来模拟, 这和实际火灾区别很大, 标准升温曲线只存在上升阶段, 而实际火灾中温度既有上升阶段也有下降阶段, 固标准升温曲线不能描述实际火灾。虽然有很多研究者在这方面进行了研究, 但到目前为止还没有提出一种更合理模拟实际火灾的燃烧曲线;⑵结构作为一个整体工作, 只取一个构件或平面框架来分析不能反应结构的空间特性。所以有必要对结构进行三维抗火计算, 但是由于对结构空间特性的了解不多, 到目前为止, 还没有提出更有效的计算方法。

摘要：钢结构具有自重轻、强度高、跨度大、布置灵活、建筑面积利用率高和施工周期短等优点, 往往用于大型的体育馆、展览馆、飞机库、剧场、博物馆及高层建筑结构。但钢材的致命弱点是其物理和机械性能对高温很敏感, 耐火性能差。因此, 进行钢结构设计时必须进行抗火设计。本文主要综述钢结构抗火的试验研究状况和理论研究成果, 总结了钢结构抗火的主要设计方法:基于试验的设计方法和基于计算的设计方法。

关键词：钢结构,钢结构抗火,有限元法

参考文献

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建筑结构抗火设计研究 篇6

关键词：管廊抗火构造,地下城市,消防设计,研究

地下城市综合管廊, 能够有效消除电信、电力以及视频线路在市政上空蛛网式的布置弊端, 而且还有效地解决了建筑结构周围影响消防、曲臂车辆动作障碍等问题。不仅可以避免路面重复挖掘现象, 而且还确保了道路畅通, 对于美化城市环境、解决管线建设和管理混乱问题, 具有一定的现实意义。

1 管廊抗火构造设计

地下城市综合管廊, 多为钢筋混凝土结构、墙板结构等, 以单双舱、多舱形式为众, 通常设计成圆形、矩形以及半圆状构造, 如图1 所示。

对于管廊而言, 其构造设计时, 应当注意抗火性能, 建议选用不燃体, 而且耐火极限至少2 小时, 检查井的耐火等级不低于二级。在管廊抗火设计时, 其中按每200 米的距离布设防火分区, 而且每隔大约200米的距离设防火墙以及甲级防火门和阻火包等。预留检查口以及疏散通道中, 应当布设排水、通风系统。若管廊是钢筋混凝土结构, 则着火时表面温度超过150 ~ 200 摄氏度, 会出现爆裂现象。基于对火灾时管廊结构强度下降考虑, 可能会出现垮塌、损坏等现象, 严重影响检查人员安全疏散, 而且对消防救援造成了不利影响。针对这一现象, 低标混凝土表面的温度应当控制在380 摄氏度以内, 高标混凝土的表面温度在250 摄氏度以内。

2 地下城市综合管廊消防设计思路

虽然地下城市综合管廊中发生火灾的概率非常小, 但是综合管廊中敷设的线路是非常重要的, 直接关系着人们的生活、工作以及生产等, 一旦出现火灾事故, 则必然会对社会以及经济秩序的发展造成不利影响, 甚至造成人员伤亡。然而, 国内地下城市综合管廊建设规范出台的相对较晚, 尤其是消防设计规范还不够健全。《城市综合管廊工程技术规范》中, 对综合管廊消防设计给出了一些规定, 然消防设计条文仍较简单, 安全设计与具体设计, 主要依赖于设计人员的分析和把握。

2. 1 设计思路概述———以济南市二环西路综合管廊为例

地下城市综合管廊, 是解决线路乱敷设的有效途径。以济南市二环西路综合管廊为例, 目前已建成通车的二环西路高架路东侧地面辅道下, 南起经十路, 北至滨河南路, 全长度6009 米, 采用现浇钢筋混凝土结构, 宽度和高度分别是8. 3 米和4. 9 米, 管廊中敷设了热力、给水、中水以及电力和通信等五类综合管线, 及消防、照明、监控、排水、通风、安全标识等配套设施, 并设有检修车通道等, 如图2 所示。

如图2 所示, 该综合管廊中安置了热力、给水、排水以及弱电和电力等多种管道, 对这些管道进行检测、管理, 日后可通过智能化管理进行及时的检测。通过构建综合管廊智能化监控系统, 利用先进的自动控制技术, 实现实时采集综合管廊内的供水、供热等管线指标, 进行实时检测, 并快速发现管线的异常情况, 避免供水、供热管网爆管、电缆发热起火等事件的发生。更为重要的是, 还要对综合管廊进行消防设计, 做好消防安全防范工作。

地下城市综合管廊中, 存在着很多的可燃物, 比如电缆、管线以及光缆等从, 从上图中也可以看到。电缆的主要构成是导体、保护包皮以及绝缘层三部分, 目前国内多采用聚氯乙烯电缆以及橡胶电缆等。对于光缆而言, 其构成主要是塑料外皮、光导纤维以及塑料保护套管。相间以及对地短路、线路过载与接触不良等, 都可能会造成电缆着火。对于敷设较为密集的电缆而言, 当廊道中着火时, 火灾会产生大量的热量, 并在较短的时间内难以扩散, 因此会导致综合管廊中的温度快速升高。管廊中电线电缆的布置层叠集中, 若上层电线电缆发生火灾, 聚氯乙烯以及橡胶等材料就会被高温融化, 然后滴下来的融化物很快就会将火焰蔓延至下层光缆、电缆以及管线。当管廊下层的电缆着火时, 热烟气以及热辐射等, 就会很快对上层线路造成影响。地下城市综合管廊中内发生火灾事故时, 如果不及时采取有效的措施控制, 则会对当周围的环境造成不利影响。对于集中敷设了管线的地下综合管廊而言, 发生火灾时, 主要表现出以下特点。第一, 火势比较猛烈, 而且燃烧的速度也比较快。管廊前后是贯通的, 而且电缆敷设较为密集, 如上图所示, 一旦发生火灾, 电缆就会形成火流, 蔓延至邻区, 以致于火势沿电缆迅速扩散。第二, 扑救困难。当电缆燃烧时, 会产生非常多的有毒气体, 而且管廊中的通道有比较狭窄, 通信设施受到屏蔽影响, 因没有信号与外界联系而导致消防灭火困难。第三, 触电危险性比较大。在综合廊道中, 高压电缆断电以后, 仍可能会留有一定的余压, 不注意可能会触电, 设计时需特别注意。

2. 2 地下城市综合管廊细部消防设计

( 1) 防火分区以及管廊构造设计。实践中, 为确保地下城市综合管廊的安全性, 综合管廊中的承重结构燃烧性能, 应当选用不燃体, 而且内部所用的装修材料也以不燃材料为宜。地下城市综合管廊中的可燃物, 以电线电缆为重, 而且电线电缆集中排置, 火灾荷载相对较大时, 为严格控制火灾影响, 应当根据《城市综合管廊工程技术规范》规定要求, 地下综合管廊中的防火分区间距最大不超过200 米, 而且防火分区应布设防火墙、阻火包以及甲级防火门等防火分隔设施。各防火分区, 都要设直通室外的消防疏散出口, 直接与逃生通道相连接, 通过检查井向室外疏散人群。同时, 检查井口还可以作为疏散出口, 在连接管廊位置, 布设一个1. 7 平方米的前室, 而且前室门以乙级防火门为宜。当单舱管廊的长在150 米以上时, 未设疏散出口舱段, 一定要设计临时的避难间, 通风、通信性能良好。

对于人行通道而言, 应当布设应急疏散系统、照明系统以及灯光疏散标志, 其照度至少应为平均工作照度的百分之十。出入口位置、设备操作点, 照度至少100Lx。同时, 应当将灯光疏散标志布设在地面以下大约1 米的位置, 而且间距不能超过20 米。布设的设置位置应当明显可视, 主要入口位置设管廊标识牌, 而且内容一定要简易, 信息一定要明确, 能够使受灾人群清楚地识别管廊分区。

( 2) 安全疏散设计。对于地下城市综合管廊而言, 除监控中心以外基本上没有人员操控。然而, 日常检修工作是必不可少的, 干线与支线综合管廊, 设计的逃生口至少能够容纳两人。同时, 逃生口引导与通风口、投料口结合设置。逃生口位置, 应当布设灭火器材, 比如黄沙箱、灭火器等。对于管廊防排烟、通风系统而言, 根据防火分区布设机械通风系统, 同时用作排烟系统; 排风、排烟以及送风口位置, 布设在管廊上方、中间位置, 各防烟分区至少两个, 以缩短火灾时烟雾扩散距离。

( 3) 自动报警系统设计。为及时发现地下城市综合管廊内火灾事故, 从源头上减小火灾事故造成的损失, 应当优化设计自动报警系统。结合管廊中的可燃物属性, 针对性地布设感烟报警探测设备、感温报警器; 综合管廊中出现紧急情况时, 探测器及时将信号发至值班室, 联动其他设施共同灭火。通常情况下, 报警探测器布设在顶棚以下, 一旦发生火灾, 则烟雾或者高温报警。基于度地下城市综合管廊的特殊性和重要性分析, 采用线型探测器敷设于电缆之上, 电缆的温度相对较高时, 立即能够监测出来, 并且报警。比如, 世博园的地下综合管廊, 即采用了该种报警设计思路。

( 4) 灭火系统设计。目前可选用的灭火系统种类繁多, 各种类型的灭火系统都有其自身的优势和不足, 设计过程中应当选择性的应用。根据《城市综合管廊工程技术规范》之规定, 综合管廊中的技术方案、经济方案对比, 可布设湿式、水喷雾以及气体等类型的灭火系统和固定装置。实际应用时, 虽然采用湿式自动喷水灭火系统的成本相对较低, 而且施工也比较简单, 但因综合管廊中有很多的带电线缆, 所以不建议采用该种设计方式。对于水喷雾系统而言, 对带电火灾的扑救效果比较显著, 然通常城市给水管道直接供水难以有效满足大流量需求; 如果选用的是泵房加压供水方式, 则供水管道的直径就会比较大, 对综合管廊的空间要求比较高, 不利于节约空间资源; 一旦启动系统, 就会导致管廊中排水压力过大, 进行发生次生灾害。实践中, 也有利于七氟丙烷气体进行灭火的设计方案, 而且灭火效率也比较高, 基本上没有残留物。然而, 利于该系统灭火时, 会产生有害气体, 不仅会损害管廊内的电缆线, 而且会危及灭火人员的身体健康。对于气溶胶灭火系统而言, 具有环保、安装方便以及无管网等优点, 然该系统灭火以后的分解产物以及喷射物成分是碳酸钾、氧化钾, 吸收水分以后就会生产氢氧化钾, 具有强氧化性, 而且会腐蚀管廊中的设备。气溶胶灭火系统喷射物, 含有导电性能的金属盐离子, 操作不当就会导致短路。对于IG541 灭火系统而言, 环保、无毒, 成本却非常的高, 需定期对灭火剂进行更换, 而且后期维护成本比较高。对于细水雾灭火系统而言, 环保且无毒, 而且灭火效果也比较好。较之于水喷雾系统, 用水量少, 造价与运用维护费用较低。通过以上设计方案对比分析, 为了能够有效降低误喷概率, 地下城市综合管廊消防灭火系统设计时, 建议采用具有闭式预作用的细水雾灭火系统。

3 结语

总而言之, 地下城市综合管廊是一种趋势, 建设与运维管理过程中, 该种系统非常的复杂, 特别是综合管廊设计初期阶段的成本投入加大, 若想进行大规模的建设和利用, 仍有待进一步研究和论证。实践中, 应当结合拟建城市的近远期规划目标, 预留合适的出入口和发展空间。这对地方政府而言, 应当加强重视, 提高城市规划设计的前瞻性、可能性, 借鉴成功典范, 立足实际, 坚持人本理念、统筹兼顾, 以此来设计科学合理的地下城市综合管廊抗火和消防系统, 以确保城市建设与持续发展。

参考文献

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建筑结构抗火设计研究 篇7

对于高大空间钢结构的防火设计前人已经进行了很多相关研究。张国维、朱国庆等人进行了全尺寸大空间建筑火场钢构件升温实验,并建立了大空间钢构件升温的理论模型;田立柱、朱国 庆基于性 能化防火 的设计理念,研究了大空间建筑钢构件温升计算方法;张国维等人还通过实验和理论研究说明了ISO 834温升曲线在大空间建筑火灾中并不适用,推导出合适的温升公式。国内外学者对于钢结构在火灾中的应力变化、结构稳定性也进行了大量研究,但目前钢结构抗火研究大多集中于特定的结构形式,对于多种形式之间的对比研究较少。笔者将研究正放四角锥网架、斜放四角锥网架、两向正交正放网架和两向正交斜放网架在火灾下的稳定性,通过对比得出不同钢结构网架抗火能力的强弱。

1 网架有限元模型

1.1 大空间空气升温曲线

CECS 200:2006《建筑钢结构防火技术规范》第6.2节中提出高大空间建筑火灾中的空气升温计算公式,如式(1)所示。

式中:Tx,z,t为t时刻空气温度,℃;Tg(0)为火灾发生前高大空间内平均空气温度,取20 ℃;Tz为火源中心距离地面垂直距离为z时的最高空气升温,℃;t为时间,s;x为与火源中心水平距离,m;z为与地面垂直距离,m;β为系数,根据火源功率类型和火灾增长类型确定;b为火源形状中心至火源最外边缘的距离,m;η为与火源中心水平距离为x时的温度衰减系数(无量纲);μ为系数。

1.2 钢构件升温计算

由于Tg表达式很复杂,K与Tg、Ts有关,求式(1)的解析式很困难,通常以差分代微分的方法,用增量法来求火灾下钢构件的升温,见式(2),构件初始温度为20℃。

式中:Δt为时间增量,s,不宜超过30s;Ts为钢构件 温度,℃;Tg为火灾下钢构 件周围空 气温度,℃;B为钢构件单位长度综合传热系数,W/(m3·℃),按式(3)计算;cs为钢材比热容,J/(kg·℃);ρs为钢材密度,kg/m3。

钢构件单位长度综合传热系数B可按式(3)、式(4)计算:

式中:F/V为构件截面的形状系数;αc为对流传热系数,W/(m3·℃),取25;αr为辐射传热系数,W/(m3·℃)。

为便于分析和计算,笔者将火源位置设置在地面中心,火源功率类型为大功率火灾(Qs>15 MW),火灾增长类型为中速火,热释放速率增长模型为t2模型。

1.3高温下钢的材料特性

火灾高温对钢材的性能特别是力学性能具有显著的影响。与结构抗火计 算相关的 钢材性能 主要有两 个方面,即高温下钢材的物理特性,包括热膨胀系数、热传导系数、比热容、密度;高温下钢材的力学性能,包括强度、 弹性模量、应力应变本构关系。高温下钢材的物理参数, 如表1所示。

不同温度下钢材的弹性模量对应值,如表2所示。

1.4网架模型的建立

研究钢结构网架体系里的正放四角锥网架、斜放四角锥网架、两向正交正放网架和两向正交斜放网架在火灾下的稳定性。图1为各种网架示意图。表3为不同网架形势下有限元模型的相关参数。

2 模拟结果及分析

2.1 空气及钢结构构件温升

在ANSYS中编写相关程序,根据式(1)模拟得到大空间温升曲线,再利用式(2)增量法计算钢构件的温升, 得到温度曲线。图2为火源中心点轴线上方(x=0,z=8 m)和与火源中心水平位置距离为16m处(x=16m,z= 8m)空气温升曲线和钢构件温升曲线。

2.2 钢结构高温下位移

由于不同钢结构形式下,钢构件数量不一样,导致整体钢结构自身质量不同,钢结构初始位移不一致,这样就使得火灾高温情况下结构节点位移不同。下面将分析高温下位移和初始位移的比值。表4为7 200s时不同钢结构形式在高温下的最大位移值x和最大位移增长率η(η=(x-x0)/x0)。

大跨度钢结构体系变形能力控制设计方法与控制指标:钢结构体系在稳定承载力对应的荷载作用下,弹塑性最大变形值应小于结构跨度的1/40~1/50。本模型跨度50m,最大变形值为0.771m,小于结构跨度的1/50,所以本结构在模拟过程中并未丧失结构稳定性。图3为不同钢结构形式在高温下整体最大位移增长率随时间的变化曲线。

2.3 结果分析

为研究4种不同结构形式钢结构的抗火能力,建立的四种模型除结构形式的差异外,其他边界条件的差异控制在一定范围内,如:整体网架的占地面积都为50 m×50m;约束条件都是上弦平面四周约束;有限元模型的节点数目尽量接近;杆件的截 面积相同,火灾场景 相同等。这样模拟结果的差异就是结构形式的不同造成的。

但是,不同的钢结构可能由于自重、节点约束个数、杆件数量不同等原因导致常温下结构内应力、位移等初始值不同,初始值的差异会使得火灾高温下整体结构内应力、位移不同。为消除初始条件对结果造成的干扰,采用最大位移增长率作为结构抗火能力的指标。通过图3中结构整体最大位移增长率随时间的变化曲线可得:

(1)正放网架高温下整体结构的位移变化更平滑;

(2)在火灾前期,斜放的网架比正放网架抵御火灾的能力更强。但随着受火时间的增加,斜放的网架的最大位移增长率会大于正放网架,即长时间的受火会使得斜放网架变得更不稳定;

(3)斜放网架的位移增长率会在某一个时间点突然增大;

(4)从总体上看,四角锥网架的稳定性要高于交叉桁架网架。

3 结 论

随着钢结构建筑的日益盛行,钢结构的形式越来越多,钢结构的抗火能力是个十分重要的安全指标。AN-SYS作为最为通用和有效的大型商业化有限元软件,在空间钢结构领域得到了广泛应用。笔者通过有限元分析软件ANSYS模拟了4种不同网架结构体系在火灾下整体位移情况,结合工程设计与抢险救援得出以下结论:

(1)在火灾荷载、网架占地面积相同的情况下,四角锥网架体系比交叉桁架体系的最大位移增长率要小,抗火能力更强,火灾下的稳定性更好。所以,在火灾危险性较大的场所采用四角锥网架体系更为安全。

双层弦张弦梁结构的抗火性能分析 篇8

本文即针对这一问题, 在传统抗火理论的基础上, 通过研究双层弦张弦梁结构的整体特性在不同温度下的变化, 给出张弦梁结构的抗火能力范围以及不同阶段结构的受力状态。为张弦梁结构的抗火设计提供了参考依据, 同时也为研究类似的灾害问题提供一个经济的计算仿真方法。

1温度参数的选定

1.1 室内火灾升温曲线

为了对受热构件的破坏模式有一个统一认识, 以及出于规范的需要对构件的抗火程度进行统一分级, 国际标准化组织 (ISO) 制定了ISO 834标准升温曲线, 其表达式如下:

Tt=345log (8t+1) +20 (1)

其中, t为时间, min;Tt为t时刻炉内环境温度, ℃。

1.2 高温下结构钢的热工特性折减系数

钢的热传导系数、比热容、钢的热膨胀系数均采用欧洲规范推荐公式, 泊松比取与常温下相同, 即:λs=0.3。在弹性模量的确定上, 参考EUROCODE3采用的不同温度下的初始弹性模量, 即通过常温下的弹性模量乘以一定的折减系数得到。钢的应力—应变关系的模型很多, 火灾下钢材很容易达到塑性状态, 一般都是分段模型。本文中采用文献[6]提出的三折线模型。

2计算模型和基本假定

2.1 计算模型

本文参考文献[3][4], 建立了双层弦张弦桁架和普通张弦桁架模型。拱形立体桁架的轴线采用弧线形式, 两层拉索的轴线均采用二次抛物线形式, 结构支座间的跨度为126.6 m, 左端为滑动支座, 右端为固定铰支座, 为避免数据处理工作过于复杂, 将左右支座设置在同一水平线上。桁架截面采用倒三角形, 中间高度为3 m, 两端高度为2 m。

2.2 基本假定

为了将计算简化, 本文采用了以下基本假定:

1) 索为完全柔性, 只承受轴向拉力, 铰接于桁架的锚固点上;2) 将索离散为索段, 每个索段按直线处理;3) 索段之间节点按铰节点处理, 每节点有三个自由度;4) 桁架与索相交点不能在索上滑动;5) 假定截面温度整体均匀分布。

计算模型中桁架杆件及撑杆采用Beam188单元, 索采用Link10单元。索的初始预应力取为1 645 kN, 采用初应变法模拟。节点荷载取47.475 kN。

3计算分析

3.1 结构在火灾作用下的变形反应

为了更加直观的看出双层弦张弦梁结构的受火反应, 并比较其与普通张弦梁在受力性能上的不同, 本文同时建立了普通弦张弦梁结构的同尺寸模型, 计算比较结果如图1, 图2所示。

图1, 图2分别是结构在火灾发生后结构跨中的竖向位移和支座处的水平位移随温度的变化曲线, 由图1, 图2可见:双层弦张弦梁在火灾发生后, 由于其受到双索的约束作用, 结构挠度值始终比普通张弦梁小约0.1 m, 但在其耐火时间上, 二者差别不大, 在标准升温条件下, 约在543 ℃ (18 min) 时, 两条曲线曲率几乎同时发生巨大改变, 认为此时结构丧失承载能力, 结构接近破坏。

3.2 结构在火灾作用下的内力反应

在543 ℃ (18 min) 时, 桁架中最大应力出现在结构上弦中, 上弦8单元～20单元的应力几乎同时达到185 MPa, 而此时钢材对应的折减屈服强度为188 MPa, 此时整个桁架内索中间部分上弦杆件已经屈服, 结构丧失承载能力 (见图3) 。

图4～图7分别是双层弦张弦梁在初始时刻和破坏时刻各类杆件内力反应的对比图。图4为桁架上弦内力对比, 图5为桁架下弦内力对比, 图6为桁架腹杆内力对比, 图7为结构撑杆内力对比。从初始时刻到破坏时刻, 桁架上弦内层索之间部分杆件内力变化较大, 由2 580 kN增大到2 990 kN, 增长率为15.9%;桁架下弦外索部分单元内力有小幅增加, 而内索部分单元内力反而减小;腹杆部分内力变化不大;结构撑杆的应力变化不大, 应力水平也都较低。

4结语

1) 与普通张弦梁结构相比, 双层弦张弦梁结构在火灾作用下结构的挠度值较小, 但二者的耐火时间相差无几。

2) 从火灾发生开始到结构破坏, 内索部分上弦杆件应力较大, 当温度达到543 ℃时, 杆件应力达到钢材此时所对应的折减屈服强度。内索部分对应的上弦杆几乎同时屈服。

参考文献

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