2018火灾作用下高层钢结构响应分析

4400276

　　摘要：本文对高层钢结构在不同火灾场景下的结构响应的分析与对比。对高层钢结构在火灾下的响应特点进行分析和归纳，并针对不同火灾位置，不同火灾蔓延方式的结构响应进行对比，希图为实际工作提供一定的理论指导。
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　　关键词：火灾；高层钢结构；响应
　　中图分类号：TU998文献标识码：A文章编号：
　　Abstract: In this paper, the author will provide some analysis and contrast on the high-rise steel structure under different fire scenario of the response of the structure. For high-rise steel structure in the fire response under characteristics are analyzed and summarized, and in the light of different fire position, different fire spreading way of structural response compared, for practical work attempting to provide certain theoretical guidance.
　　Key Words: fire; high-rise steel structure; response
　　
　　一、模型建立及热传导分析
　　 （一）结构几何尺寸
　　本文选择结构为 15 层的钢框架结构，层高 3.5m，进深、跨度 9m。柱截面采用方钢管，1-5 层为 700mm × 700mm × 25mm，6-10 层为 650mm × 650mm× 22mm，11-15 层为 600mm× 600mm ×20mm。梁截面为工字型截面，截面尺寸为 600mm × 250mm ×10mm × 16mm。计入楼板自重，楼面恒荷载为 4.0KN/ m2，活荷载为 2.5kN/ m2。按照《建筑钢结构防火技术规程》规定，钢结构抗火验算时，采用偶然设计状况的作用效应组合。根据荷载规范，活荷载频遇值系数为 0.5，则模型竖向荷载为 5.25kN/m2。
　　 （二）有限元模型
　　 利用有限元分析软件 ABAQUS 建立空间框架模型。柱采用 B31 梁单元，为两节点一次单元，共 6 个自由度；梁采用 B31OS 梁单元，为两节点一次单元。该单元能够考虑薄壁截面翘曲影响，共 7 个自由度。梁柱及主次梁节点设为刚接，柱底固结约束。梁上荷载按照楼面竖向荷载为 5.25kN/m2分配。钢材使用 Q345，常温下屈服强度 fy=355Mpa，弹性模量 E=2.06×105Mpa，泊松比 0.3，高温下的材料性质按照欧洲规范 EuroCode3-1-2中规定采用。
　　 （三）温度热传导分析
　　 该结构防火等级为一级，柱耐火极限 3 小时，梁耐火极限 2 小时，采用厚涂型防火涂料。柱防火涂层厚度为 23mm，梁防火涂层厚度为 18mm。防火涂层热传导系数、密度和比热容为=0.093W/，=3680kg/m3，=1000J /。
　　 利用有限元软件对梁柱三面受火下的截面温度分布进行计算，升温时间为两个小时。防火涂层起到了减缓构件升温速度的作用，而上翼缘在防火涂层和楼板的保护作用下与下翼缘的温差达到了 300°C，可见梁截面温度分布的不均匀现象十分明显。柱子由于截面形状系数小、保护层较厚所以升温慢，有限元热传导分析结果显示在两小时的升温时间内柱截面温度均小于300°C，为简化起见，在结构响应分析中，柱截面采用线性升温曲线，温度升至 300°C。在 Abaqus 的工字型梁单元的温度加载点，由于梁截面上下翼缘温差较大，在进行温度的加载过程中，要注意分辨梁单元的主轴方向，以免温度加载错误。
　　
　　二、火灾下高层框架结构响应特点
　　 （一）整体变形
　　 结构整体变形最大的挠度发生在中跨位置的 3 号次梁，其次是 1 号次梁、2 号主梁，柱子由于梁的膨胀变形作用，在梁柱节点处发生较明显的水平侧移。
　　 （二）次梁响应
　　 由于在工程中，次梁往往采用铰接连接方式，梁跨中弯矩基本保持不变，在本算例中 3 号次梁可近似认为梁端为铰接连接，下面对其进行分析。
　　 首先，分析次梁挠度发现，升温初期升温速率较小，钢材弹性模量尚未削弱，所以次梁挠度出现了较平稳的一段，后由于钢材弹性模量随着温度升高而逐渐减小，所以梁跨中挠度逐渐增大，在 120 分钟时变形速率明显增大。
　　分析 3 号次梁轴力可知，虽然主梁的平面外刚度对于次梁的变形具有一定的约束，但该约束较小，由该约束引起的轴力非常小，可忽略不计，且当温度较高时轴向压力转变为轴向拉力，对于梁的稳定较为有利，所以非连续次梁的分可以不考虑轴力的影响。
　　 （三）主梁响应
　　 在高温作用下，主梁在膨胀效应和其他构件的约束作用下产生轴向压力。由于梁三面受火引起的截面的温度分布不均匀会产生向下的弯曲，会使得主梁跨中弯矩增大，端部弯矩减小。模型中 2 号主梁的跨中弯矩由负弯矩逐渐变小，成为正弯矩，而梁端弯矩不断增大；由于梁刚度的大幅削弱，40 分钟后，梁下翼缘温度约为 300°C 后，跨中弯矩又回落为负弯矩，而端部弯矩也随之减小，且梁轴力也趋于平缓并逐渐减小。可见，梁内力峰值出现于升温前期，约在 400°C 或更小。
　　 （四）柱响应
　　 1、受火灾作用柱
　　 火灾下柱受热膨胀，产生轴向变形。由于主梁的膨胀效应，柱在侧向两个方向都有较大的位移，该侧向位移使柱的受力状态由受压为主变成为压弯共同作用，且弯矩较大。可见，火灾作用下结构的构件受力状态发生剧烈变化，材料处于多向应力状态。
　　 2、未受火灾作用柱
　　 由火灾下结构整体变形可见，在高温作用下，受火灾作用构件的变形十分突出，而未受火灾作用构件的变形相对较小。图1为一层 1, 3, 5, 7 号柱的轴力随温度变化的曲线图。1,3 号柱为受火灾作用柱，1 号柱为角柱，常温下的轴力小于 3 号柱，因此 1 号柱的高温膨胀所受的约束也较小。此外，因两个柱承受的竖向荷载总和基本保持不变，所以升温过程中 1 号柱轴力减小，3 号柱轴力增大。相应的，5 号柱受 3 号柱的影响，轴力减小，而 7 号柱轴力增大。由于模型中认为柱受防火涂料的保护，温度保持在 300 度以下，所以，柱的轴向变形较小，轴力的变化幅度约为 10%，可见柱轴力变化较小。图2 为 1-4 层 1 号柱的柱顶弯矩随温度变化的曲线图。通过比较发现，1 层柱弯矩变化比较大，2， 3，4 层弯矩变化相对较小。
　　
　　图1 一层边柱轴力随温度变化曲线 图2 1-4层1号柱柱顶弯矩随温度变化曲线
　　 综上所述，火灾为场景一时，次梁在高温和横向荷载作用下挠度变化较为剧烈，该现象与材料刚度的削弱直接相关。同时，在火灾作用下，由于前期的受热膨胀和后期的刚度削弱，主梁轴力和弯矩变化较大，主梁内力的峰值主要发生在升温前期和中期（约 400°C 左右），主梁的膨胀导致柱产生较大侧向位移和弯矩，影响柱的内力状态和稳定性。
　　 框架结构在局部火灾作用下，着火区域构件的变形十分显著，由于整体的变形协调使得着火区域周围的构件的内力也产生较大变化，但离火灾位置较远的位置所受影响有限，超出两层之后的该影响基本可以忽略。
　　参考文献
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　　[3]马巨杰,张良平.超高层整体结构的抗火性能分析[J].钢结构，2009 (121): 69-75.
　　[4]ABAQUS Inc., ABAQUS V6.9 Documentation, USA,2009.