火災作用下空間桁架結構響應分析

張鳳維 任翠青

鋼材因具有輕質、高強的優良特性而成為各種大跨度建筑屋蓋承重骨架的首選用材[1],但高溫對鋼結構影響非常之大,溫度為400℃時,鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的1/2,溫度達到600℃時鋼材基本喪失全部強度和剛度。因此,一旦發生火災鋼結構很容易遭到破壞。例如:1990年英國一幢多層鋼結構建筑在施工階段發生火災,造成鋼梁,鋼柱和樓蓋鋼桁架的嚴重破壞;1993年我國福建泉州一座鋼結構冷庫發生火災,造成3 600 m2的庫房倒塌。這些眾多火災案例都暴露出了鋼結構建筑耐火性能差的致命弱點。

1 火災下鋼結構計算模型

1.1 高溫下結構鋼的屈服強度

結構鋼的屈服強度和極限強度會隨著溫度的升高而不斷下降。當鋼材溫度達到150℃以下時這種下降的趨勢還不大;當溫度達到250℃左右時屈服強度還有所升高,此時鋼材的抗拉強度達到最大值,鋼材在此溫度范圍內容易產生脆性破壞,稱為“藍脆”現象。當溫度超過300℃后鋼材的彈性模量、屈服強度、極限強度開始顯著下降;超過400℃后,強度和彈性模量都開始急劇降低。當達到600℃時鋼材的屈服強度只達到正常溫度下的20.8%,彈性模量只達到正常溫度下的17.4%,而極限強度只降低到正常溫度下的23.4%?，F在各國家并沒有統一的標準來確定高溫下結構鋼材的屈服強度。

1.2 高溫下結構鋼的初始彈性模量及應力—應變關系

根據國內外試驗資料[3]表明,當鋼的溫度在250℃以下時,鋼的彈性模量和強度變化不大,當溫度超過250℃后就會發生所謂的“塑性流動”現象。超過300℃后,應力—應變關系曲線就沒有明顯的屈服極限和屈服平臺,強度和彈性模量明顯減小。

鋼的應力—應變關系模型有很多,大部分都是分段模型。連續光滑型的模型較少,表達式也很復雜。應用的比較多的是Ramberg-Osgood模型[4],表達式為:

其中,6≤m(T)≤50;ET為溫度T時鋼的彈性模量;f0.2T為溫度T時鋼的0.2%屈服應力。

1.3 高溫下鋼結構的極限狀態

火災情況下,當滿足以下條件之一時,則認為鋼結構構件達到耐火極限狀態[3]:

1)軸心受力構件的截面屈服;

2)受彎構件產生足夠的塑性鉸而成為可變機構;

3)構件喪失整體穩定。

1.4 熱傳導方程

空間桁架結構火災作用的力學反應,包括內力、變形和承載力等都取決于結構和構件的溫度場及其變化過程。

結構的溫度場分析是一個固體物質的熱傳導問題,根據能量守恒原理,建立瞬態熱傳導的基本微分方程[5]為:

其中,x,y,z為坐標;qd為物體內部熱源。

空間桁架由桿構件組成,所以假設沿構件軸線的溫度相同,可簡化為沿截面的二維溫度場,且不考慮鋼材本身發熱,即桁架桿件內無熱源,得到:

則基本方程可簡化為二維瞬態熱傳導基本方程:

對桁架結構采用有限元法進行數值求解。

2 連接樓結構形式

連接樓的主桁架是由圓鋼管相貫焊接而成的雙跨倒三角形截面空間桁架,桁架截面寬3 m,高2.5 m,弦桿截面尺寸為φ 245 mm×(12～22)mm,腹桿為φ(102～168)mm×(5～12)mm。兩根上弦桿間距保持為等距離,主桁架間距為18 m,沿徑向布置。每榀主桁架有3處支承:1)在a處,主桁架弦桿經彎曲后直接支承在基礎上;2)在b處,桁架通過球鉸支座支承在直徑為1.4 m的鋼筋混凝土圓柱上;3)在c處,主桁架支承在人字形梭形組合柱上。主桁架的弦桿為分段圓弧,采用冷彎成型,弦桿分段變厚度。側面斜腹桿與弦桿的連接采用有偏心帶間隙的K形連接節點,腹桿之間無搭接。個別節點難以設計成無間隙型,則加相貫板或采用鑄鋼節點。

3 溫度場分析

3.1 ANSYS模型建立及火災工況

進行溫度場分析時,連接樓桁架受火桿件采用Solid70單元,其他所有弦桿、腹桿均采用Beam188單元,選取兩榀(道)桁架進行計算。

連廊15 m層商鋪著火,最大火源功率16.88 MW,此時火焰穿透商鋪頂棚。在本工況下,大約600 s時,頂棚處最高溫度達到860℃,600 s后溫度不再上升,距離商鋪邊緣4 m以外最高溫度在200℃以下,對結構不會有大的影響,所以主要考慮距離商鋪邊緣4 m以內溫度升高對空間桁架結構的影響。

3.2 溫度場分析

通過分析可見,時間為900 s時,主桁架受火桿件溫度已達850℃左右,900 s后繼續按升溫曲線進行加載,桿件的溫度變化緩慢,桿件溫度基本上維持在最高溫度849℃～860℃。選取代表性桁架節點4,通過溫度—時間變化關系圖可知:900 s后節點溫度—時間變化關系曲線與升溫曲線基本一致。

4 結構分析

通過ANSYS進行結構分析時,連接樓桁架所有弦桿、腹桿均采用Beam188單元。荷載取值及效應組合為:鋼屋蓋豎向荷載標準值為:活載:0.5 kN/m2;有天花處懸掛荷載:0.48 kN/m2;屋面板荷載(壓型鋼板重量)。

5 結果分析

1)正常使用極限狀態:360 s時,9號節點豎直位置達到最大值 Δmax=0.015 4 m。 可得:Δmax＜[Δ]=L/400=58.65/400=0.146 6,滿足規范要求。

表1 各受火桿單元應力—時間表

2)承載能力極限狀態:360 s時3號,4號,5號,6號,7號桿件溫度達到255℃,根據鋼的屈服強度折減,255℃時鋼的屈服強度為0.700 3fy=241.603 5 M Pa,由表1可知3號,4號,5號,6號,7號桿件都已經接近或超過屈服應力,構件破壞。

6 改進措施

1)對商鋪頂棚使用不燃材料,保證發生火災時,火焰不能直接作用到上部鋼結構上,以降低鋼結構的溫度。

2)對離樓板、地面8 m以內的室內鋼柱、鋼梁均做防火保護。

3)基于性能化設計的原則,對商鋪上方的鋼構件采取防火保護,涂適量的防火涂料,以延長鋼結構的耐火時間。

[1]汪一駿.輕型鋼結構設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[2]CEN(European Committee for Standardisation),DAFT ENV 1993,Eurocode3:Design of steel structures[S].

[3]李國強,蔣首超,林貴祥.鋼結構抗火計算與設計[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[4]Yngue Anderberg.Modelling Steel Behaviour[J].Fire Safety Journal,1988(13):105-113.

[5]過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京:清華大學出版社,2002.