钢结构火灾损伤的有限元分析
2011-04-12李俞泽
李俞泽
（1.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024；2.阳泉市消防支队，山西 阳泉 045000）
钢材的比强度远大于混凝土，塑性和韧性又是混凝土所无法比拟的，所以钢结构建筑具有自重轻、抗震性能优越、综合经济效益显著等优点，近年来得到了快速的发展。但是钢结构耐火性差是其无法忽视的缺点，一旦发生火灾,钢结构很容易发生倒塌或破坏，带来巨大的损失。钢结构空间布置灵活，起火点位置也随机不定。起火点位置不同，结构造成的损害也往往相同。本文利用ANSYS有限元分析软件，考虑结构的几何、材料非线性，对框架结构在不同位置、不同受火面的火场作用下的传热—静力藕合分析[1]，得出了钢柱一面受火、三面受火、钢梁三面受火时的失效特点和损伤规律。
1 计算模型的建立
文章建立一个双层双跨连续框架，层高3 m，柱间距5.5 m。钢材采用Q235级，所有柱脚刚接，梁柱均采用H型截面，截面尺寸见表1，结构模型见图1。
图1 结构模型
表1 结构尺寸 /mm
柱顶受集中荷载，荷载值为外侧柱70.5kN，内侧柱为141 kN，所有横梁受均布荷载22.5 kN/m。假定底层左端一防火间发生火灾。
2 钢结构火灾损伤有限元分析
2.1 边柱受火分析结果
2.1.1 边柱单边受火分析结果
在进行传热学分析时，边柱的构造形式是柱腹板两侧有砖墙，且旁边有防火板材，仅朝防火间的翼缘受到热作用。因此，采用SOLID70单元，将边柱内翼缘全部节点定义为温度边界，这些节点按照标准升温曲线[2]进行升温。
标准升温曲线见公式1，边柱截面不同位置处的升温曲线见图2，图中节点586为柱内翼缘中部节点，节点590为柱内翼缘边缘节点，节点501为柱外翼缘边缘节点。
通过本章的分析可以发现，柱受火翼缘的塑性变形是从边缘逐渐向中间展开的，而且塑性应变为0.2%时的应力为没有明显屈服平台的名义屈服强度。节点塑性应变达到0.2%时意味着该节点处钢材已经开始屈服或者接近屈服。所以对于柱直接受火的情况，规定柱底受火翼缘中间节点塑性应变达到0.2%为结构失效的判断依据。按此标准，经过分析，该情况下结构在620 s左右时失效。柱底翼缘中间节点塑性应变变化曲线见图3。在结构失效时，边柱不同位置处的温度分布见图4，边柱的Von-Mises应力分布见图5。
图2 边柱不同位置处的升温曲线
图3 受火翼缘中间节点塑性应变
图4 结构失效时边柱温度分布图
图5 结构失效时Mises应力分布图
2.1.2 边柱三边受火分析结果
边柱三边受火分析模拟的是柱附近起火，柱腹板处没有墙体的情况。具体方法是将用SOLID70单元建立的边柱内翼缘和腹板全部节点定义为温度边界，在该边界上的节点按照标准升温曲线进行升温。边柱截面不同位置处的升温曲线见图6。
经过分析，该情况下结构在400 s左右时失效。柱底翼缘中间节点塑性应变变化曲线见图7。在结构失效时，边柱不同位置处的温度分布见图8，边柱的Von-Mises应力分布见图9。
图6 边柱不同位置处的升温曲线
图7 受火翼缘中间节点塑性应变
图8 结构失效时边柱的温度分布
图9 Mises应力分布图
2.2 中柱受火分析结果
2.2.1 中柱单边受火分析结果
中柱单边受火分析模拟的是中柱附近起火，柱腹板处有防火隔墙的情况。具体方法是将用SOLID70单元建立的中柱一侧翼缘全部节点定义为温度边界，在该边界上的节点按照标准升温曲线进行升温。中柱截面不同位置处的升温曲线见图10，其中节点10501为柱受火翼缘边缘节点，节点10506为柱受火翼缘中间节点，节点10590为柱背火翼缘边缘节点。
经过分析，该情况下结构在610 s左右时失效。柱底翼缘中间节点塑性应变变化曲线见图11。在结构失效时，中柱不同位置处的温度分布见图12，中柱的Von-Mises应力分布见图13。
图10 中柱不同位置处的升温曲线
图11 受火翼缘中间节点塑性应变
图12 结构失效时中柱的温度分布
图13 Mises应力分布图
2.2.2 中柱三边受火分析结果
中柱三边受火分析模拟的是中柱附近起火，柱腹板处没有墙体的情况。具体方法是将用SOLID70单元建立的柱一侧翼缘和腹板全部节点定义为温度边界，在该边界上的节点按照标准升温曲线进行升温。中柱截面不同位置处的升温曲线见图14。
经过分析，该情况下结构在420 s左右时失效。柱底翼缘中间节点塑性应变变化曲线见图15。在结构失效时，中柱不同位置处的温度分布见图16，中柱的Von-Mises应力分布见图17。
图14 中柱不同位置处的升温曲线
图15 翼缘中间节点塑性应变
图16 结构失效时中柱的温度分布
图17 Mises应力分布图
2.3 梁三面受火分析结果
梁三面受火分析模拟的是梁下附近起火的情况。具体方法是将用SOLID70单元建立的梁下翼缘全部节点和腹板两侧以及上翼缘下部节点定义为温度边界，在该边界上的节点按照标准升温曲线进行升温。梁截面不同位置处的升温曲线见图18。其中，N25008梁下翼缘节点，N25088是梁上翼缘节点。
对于梁受火的结构，结构失效的判断依据通常是梁挠度达到梁跨度的1/20。但对于本模型，当梁升温到27 min时，梁全截面屈服，结构破坏，程序退出计算。在结构破坏前，受火梁跨中挠度变化见图19，最大挠度120 mm，小于梁跨度的1/20（在本模型中即275 mm）。在结构破坏前温度分布见图20，Von-Mises应力分布见图21。
图18 梁上下翼缘的升温曲线
图19 梁跨中挠度变化图
图20 结构破坏前温度分布
图21 结构破坏前Mises 应力分布
3 结论与分析
文章使用ANSYS大型有限元分析软件，对不同位置处的火灾对结构造成的损伤进行了分析。通过对应力比为0.9左右的结构各种情况下分析结果的总结和归纳，得出以下几点结论：
（1）钢柱一面受火时，经过10 min左右，结构就会失效；相比之下，中柱比边柱失效时间略早。
（2）钢柱三面受火时，经过7 min左右，结构就会失效；相比之下，中柱比边柱失效时间略晚。
（3）钢梁三面受火时，经过27 min左右，钢梁就会发生破坏；由于钢梁悬链效应随梁挠度的增大而逐渐明显，所以使钢梁的失效时间比钢柱大大延迟。
（4）如果板件（构件）并不直接受火而靠传导升温时，板件（构件）的升温速度很慢；当结构失效时，间接受火板件（构件）与直接受火板件（构件）的温度相差很大。
（5）某构件与直接受火构件相连时，损伤较大处仅限于与受火构件相连的区域附近；梁柱节点区域是结构抗火的薄弱环节，无论何种火灾情况，梁柱节点区域均处于屈服或接近屈服状态；梁柱节点处是结构塑性变形很大的区域。
（6）没有进行抗火设计的钢结构，结构失效时的时间远小于一般结构耐火极限的要求，所以必须对钢结构按照规范进行抗火设计。
