輕鋼活動房結構抗火性能分析

王洪欣，查曉雄，王錦文，張梅松

輕鋼活動房結構抗火性能分析

王洪欣1，2，查曉雄1，王錦文2，張梅松2

（1.哈爾濱工業大學深圳研究生院，518055廣東深圳；2.筑博設計股份有限公司，518029廣東深圳）

為了得到輕鋼活動房結構的抗火性能，采用理論推導和有限元分析相結合的方法對其進行研究.首先，從活動房單榀框架出發，基于臨界溫度相等的原則，將結構變形曲線簡化為彈性段和垂直段，來代替原有的彈塑性模型；然后推導得到彈性段的變形公式，給出了分界點的確定方法，進而求得單榀結構火災下的臨界溫度計算公式；最后，通過有限元比較了單榀框架和整體結構的抗火性能，并分析了框架榀數和著火位置對結構抗火性能的影響.分析結果表明：整體結構的抗火性能與單榀結構相近，框架榀數對整體抗火性能影響不大，最不利的火災位置為中部房間.

活動房；抗火性能；有限元；臨界溫度；著火位置

活動房采用輕鋼結構形成其骨架系統，以夾芯墻板形成圍護系統，因其拆裝便捷、環保節約等優良特性，被廣泛應用于建設工地和安置用房等.活動房建筑的火災事故時有發生，而國內外對該類結構的研究還不充分，其防火設計缺乏科學理論依據.

目前，鋼框架結構的抗火性能已有一定研究基礎，Rubert等［1］開展了一系列簡支梁和不同形式鋼框架的抗火試驗.Toh等［2］提出了一種簡化分析方法用來分析鋼框架結構極限抗火性能.Lennon等［3-4］進行了著名的Cardington鋼結構抗火試驗，發現建筑結構的耐火性能較單獨計算構件的耐火性能好.Carden等［5］研究了無防火保護的鋼框架結構在循環火災荷載作用下的性能反應.趙金城等［6］對單層單跨鋼框架結構進行了4次不同水平荷載作用下的抗火試驗.王洪欣等［7-8］分析了活動房屋在火災下的破壞情況及空間屋頂鋼結構網架的抗火性能.李國強等［9］對火災下受約束鋼梁和足尺鋼柱的力學性能進行了試驗研究和理論計算.上述學者雖對鋼構件或鋼框架的抗火性能進行了一定研究，但對結構的整體抗火性能研究較少，特別是這種臨時性的輕鋼活動房.

本文采用理論推導和有限元計算方法對活動房的抗火性能進行研究，對比分析了單榀框架和整體結構的抗火性能，以及框架榀數和著火位置對結構抗火性能的影響.

1 活動房單榀框架火災下變形計算

1.1火災下單榀框架變形的理論計算模型

根據文獻［9］可知，火災下結構整體承載力極限狀態的判別標準為：結構喪失整體穩定或達到不適于繼續承載的整體變形（見圖1），其界限取值為

火災下由于構件溫度的升高導致材料軟化，在外力不變情況下，構件的變形將不斷增加，當構件變形達到界限變形值δlim時，此時溫度為結構臨界溫度Tlim，見圖2.其中，O A B變形曲線為考慮了材料的彈塑性情況；當材料假定為理想的彈性材料時，對應的曲線為O A C段，A點為進入塑性的起始點，B點為界限變形點，其對應的變形為界限變形δlim，其對應的溫度為臨界溫度Tlim.

圖1 結構整體變形

圖2 結構的界限變形

已知變形溫度曲線，根據界限變形就可以求出臨界溫度，臨界溫度的求解是問題的關鍵所在.在此基于臨界溫度相等，將結構變形曲線簡化為彈性段和垂直段，其中垂直段過臨界點B，與彈性段相交于點C.最終，采用彈性段和垂直段的兩段式模型來代替原有的彈塑性模型，對問題進行簡化，同時保持臨界溫度的取值不變.因此，只需要給出彈性階段（對應曲線O A C）的變形公式和分界點C（對應變形δC）的取值方法，就能求出臨界溫度.

1.2彈性階段變形的理論計算

活動房構件為輕鋼構件，可認為構件的截面溫度是均勻分布的，并與火災環境溫度相同［9］.活動房的結構是由若干個單榀框架通過連梁和支撐等構件連接而成，故本節先推導出火災下單榀框架的變形公式，進而再通過有限元比較單榀框架和整體結構抗火性能的差異.本文在計算火災下結構的變形時，同時考慮了外荷載作用下的變形和由溫度膨脹引起的變形.由于篇幅有限，本文只給出單層活動房結構的變形界限值的求解方法，其他活動房結構的計算見文獻［10］.

1.2.1 荷載作用下的變形

單層框架模型見圖3，其中，單層框架柱和梁構件的線剛度分別為i1和i2，節點轉角分別為θ1和θ2，框架水平變形為δ，水平荷載為F，柱頂軸向荷載為N.

圖3 單層框架參數示意

根據位移法計算，并考慮軸力影響［10-11］的柱端水平位移為

式中：F為柱端水平力，N；I1為柱截面的慣性矩，m4；l1為柱子高度，m；I2為梁截面的慣性矩，m4；l2為梁的長度，m；ET為高溫下鋼材彈性模量，MPa；N為柱頂軸向荷載，N.

1.2.2 膨脹引起的變形

計算框架結構在火災下的膨脹變形時，可將受火構件的溫度效應等效為桿端作用力，將該作用力作用在與該桿端對應的結構節點上，然后按常溫下的分析方法進行結構分析［9］.單層框架的梁構件在火災下升溫膨脹，沿構件軸向產生膨脹應力，相當于在柱端施加一水平力，柱子發生水平變形，見圖4.

圖4 單層框架鋼材膨脹下的柱頂水平變形

設梁膨脹所引起的柱頂水平變形為δ1，對應的膨脹力為P，則

由上式可得

式中：A2為梁的截面面積，m2；αS為鋼材的膨脹系數，m／℃；ΔT為構件溫度增量，℃.

結合式（2）和式（4），可得單層框架水平變形δ的最終表達式為

1.2.3 彈性段與垂直段分界點的取值

輕鋼構件，可認為構件的截面溫度是均勻分布的，并與火災環境溫度相同［9］，火災溫度可以施加于著火房間內部構件的單元節點上，通過給定升溫曲線的形式給結構施加溫度場.本文采用ABAQUS有限元程序建立結構模型，活動房結構防火有限元計算方法及驗證見文獻［10］.

單層框架的有限元模型中，材料分別采用理想彈性和彈塑性兩種本構模型.對于單層框架的界限變形值，考慮到的影響參數包括：構件的截面尺寸、長度和外界荷載，其中截面尺寸和長度的改變也就是構件線剛度的改變.因此，包括4個參數，即：柱子線剛度、屋架線剛度、柱端水平荷載和屋架豎向荷載，每種參數考慮了5種情況（基本涵蓋了實際工程范圍），見表1.為了避免大量的參數分析，在此采用均勻設計的方法，均勻設計表見表2，其中設計編號2413表示，第一個參數取第二個值，第二個參數取第四個值，第三個參數取第一個值，第四個參數取第三個值，其他編號意義類推.

表1 模型參數的選取

表2 均勻設計及計算結果

部分算例的單層框架變形圖，見圖5；各種情況下對應的變形界限值匯總，見表2.

圖5 單層結構水平界限變形

通過計算，可以得到不同情況的界限變形值，由于界限變形值變化范圍不是很大，故本文取界限變形的平均值作為界限變形值.

式中：δC為單層框架水平變形分界點取值，h為單層框架高度.

由此，根據彈性階段變形的計算公式（2）和對應的界限變形計算公式（6），就能求出活動房單榀框架的臨界溫度值.

2 整體結構的抗火性能分析

2.1活動房有限元模型建立

2.1.1 幾何尺寸及材料模型

活動房結構主要截面尺寸屋架和樓面梁弦桿的截面為C型鋼C80 mm×40 mm×15×1.9 mm，檁條截面為C50 mm×40 mm×10 mm×1.5 mm，柱由兩C型鋼拼裝而成，其單層柱的C型鋼截面為C80 mm×40 mm×14 mm×1.9 mm，兩層柱的C型鋼截面為C80 mm×40 mm×14 mm×2.5 mm.活動房結構的橫向長度分別為3跨至5跨，縱向長度為6榀至10榀，每跨或每榀的長度為1.82 m.鋼材采用雙折線本構模型，其常溫下的屈服強度為235 MPa.

2.1.2 單元類型

結構中的梁、柱和檁條等截面為薄壁截面，在有限元中用開口薄壁梁單元B31OS進行模擬，屋架腹桿、樓面梁腹桿、弦桿和柱間支撐只能承受拉伸或者壓縮荷載的桿件，不能承受彎曲，采用桿單元T3D2進行模擬.

2.1.3 荷載及邊界條件

水平荷載以集中力的形式施加于各層柱頂；豎向荷載以集中力的形式施加于屋架上弦節點和均布荷載形式施加于樓面梁上弦.根據CECS200—2006［12］進行荷載組合，框架柱頂的水平集中荷載對于兩種風荷載情況分別為1.25 kN和1.7 kN；樓面梁上的豎向均布荷載，對于兩種樓面活荷載均布線荷載分別為1.82 kN／m和2.3 kN／m，其他荷載同理可得.

活動房柱子底部與地面固接；火災溫度按ISO—834標準升溫曲線取值，并施加于著火房間內部構件的單元節點上.

2.2框架榀數對結構防火性能的影響

實際工程中，活動房屋通常采用的榀數為6榀至10榀，本文以橫向寬度為4跨的活動房為例，分析了榀數為6榀和10榀的單層活動房整體結構的水平變形和兩層活動房結構的樓面梁豎向變形，見圖6.其中，單層結構柱端水平荷載為1.7 kN；兩層結構每層柱端水平荷載為1.7 kN，樓面梁的豎向荷載為2.3 kN／m.以下整體結構中的變形值，取受火部位中最大一榀的變形值.

圖6 框架榀數對結構抗火性能的影響

通過分析可知：對于單層結構隨著縱向榀數增加，其柱端水平變形略微增加；隨著縱向榀數的增加，兩層結構的樓面梁豎向變形差別變化很小，故活動房榀數對結構的耐火性能影響不大.

2.3著火位置對結構防火性能的影響

為了得到不同著火房間對結構耐火性能的影響，本文以4跨10榀的活動房為例，找出最不利的著火位置.10榀的活動房可以分為5間房，由于結構的對稱性，可分為3個不同的火災位置，從左至右為房1、房2和房3，房間位置見圖7.當火災分別發生在這3個位置時，采用有限元得到了單層結構的整體水平變形和兩層結構的樓面梁豎向變形，見圖8.

圖7 活動房屋房間的劃分

通過分析可知：對于單層活動房整體結構，中部房間發生火災時對結構略顯不利；對于兩層活動房整體結構，著火房間的位置對結構的影響不大.

2.4單榀框架與整體結構抗火性能的比較

單榀框架是活動房整體結構的基本組成單位，為了比較整體結構與單榀框架的抗火性能，選取橫向為4跨、縱向為10榀的整體結構與單榀框架進行比較，整體結構的火災發生在中部房間，計算結果見圖9.

分析可知：對于單層活動房，其整體結構的抗火性能要優越于單榀框架.單榀框架在火災溫度達到600℃左右開始瀕臨垮塌，而整體結構由于受房屋縱向各種聯系構件的有效支撐，結構在700℃左右時才瀕臨垮塌.對于兩層活動房，其樓面梁的支撐構件為樓面次梁，由于著火房間內幾個跨度的樓面梁變形較為一致，使得次梁支撐作用不大，故單榀框架和整體結構的耐火性能相差不大.

圖8 不同火災位置對整體結構抗火性能的影響

圖9 單榀框架與整體結構的變形比較

3 結 語

本文基于結構整體承載力極限狀態判別標準為火災下結構達到不適于繼續承載的整體變形，從活動房屋單榀框架出發，基于臨界溫度相等的原則，將結構變形曲線簡化為彈性段和垂直段，來代替原有的彈塑性模型.理論推導得到彈性段的變形公式，并給出了分界點的確定方法，進而求得了單榀結構火災下的臨界變形值.

通過計算可知：對于單層結構，隨著縱向榀數增加，其整體水平變形略微增加；對于兩層結構，隨著縱向榀數的增加，其樓面梁豎向變形變化不大，故框架榀數對結構抗火性能影響不大.不同著火房間對結構耐火性能的影響，中部房間發生火災時對結構相對不利.對于單層活動房整體結構，其耐火溫度略高于單榀框架；對于兩層活動房整體結構，其耐火溫度與單榀框架相近.

［1］RUBERT A，SCHAUMANN P.Structural steel and plane frame assemblies under fire action［J］.Fire Safety Journal，1986（10）：173-184.

［2］TOH W S，TAN K H，FUNG T C.Strength and stability of steel frames in fire：rankin approach［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127（4）：461-469.

［3］WANG Yongchang，LENNON T，MOORE D B.The behavior of steel frames subject to fire［J］.Journal of Constructional Steel Research，1995，35（3）：291-322.

［4］LENNON T，MOORE D.The natural fire safety concept?full?scale tests at cardington［J］.Fire Safety Journal， 2003，38（7）：623-643.

［5］CARDEN L P，ITANI A M.Performance of an unprotected steel structure subjected to repeated fire at a firefighter training facility［J］.Fire Safety Journal，2007，42（2）：81-90.

［6］趙金城，沈祖炎，沈為平.鋼框架結構抗火性能的試驗研究［J］.土木工程學報，1997，30（2）：49-55.

［7］王洪欣，查曉雄，宋瑞強.集成房屋抗火性能及不同板材對其抗火性能影響［J］.工業建筑，2009，39（5）：106-109.

［8］王洪欣，查曉雄，余敏，等.某機場航站樓屋頂網架結構的性能化防火分析［J］.哈爾濱工業大學學報，2011，43（8）：26-30.

［9］李國強，韓林海，樓國彪，等.鋼結構及鋼-混凝土組合結構抗火設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006：155-156.

［10］王洪欣.金屬面夾芯板結構抗爆抗沖擊及防火性能的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

［11］CHAJES A.Principles of structural stability theory［M］.England：University of Manchester，1993：88-99.

［12］中國工程建設標準化協會.CECS 200：2006建筑鋼結構防火技術規范［S］.北京：中國計劃出版社，2006：21-22.

（編輯趙麗瑩）

Fire resistance performance of mobile house

WANG Hongxin1，2，ZHA Xiaoxiong1，WANG Jinwen2，ZHANG Meisong2
（1.Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China；2.Zhubo Design Group＆Research Institute Co’，Ltd’，518029 Shenzhen，Guangdong，China）

Theoretical derivation and finite element method were developed in this paper to study the fire resistance performance of mobile house.First，based on the equivalent principle of the critical temperature，the structural deformation curve was simplified as elastic and vertical segments instead of the original elastic-plastic model.Then，deformation formula of the elastic segment was obtained by theoretical derivation，and the method of determining the dividing point was also provided.To this end，the critical temperature formula of frame under fire was obtained.Finally，the fire resistant performance of the entirety house structure and the single frame were analyzed and compared through finite element method.It shows that，the fire resistance performance of the entirety house structure is similar to single frame structure，the number of frame have little effect on the fire resistant performance of entirety house，and the most unfavorable fire location is the middle room.

mobile house；fire resistance performance；finite element method；critical temperature；fire location

TU352.5

A

0367-6234（2014）08-0010-06

2013-03-28.

深圳市科技計劃項目深港創新圈深科信（2009）37號.

王洪欣（1983—），男，博士；

查曉雄（1968—），男，教授，博士生導師.

王洪欣，wanghongxin2007＠gmail.com.