安全管理论文火灾下钢框架结构抗倒塌能力影响参数分析.doc

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1、此材料由网络搜集而来，如有侵权请告知上传者立即删除。材料共分享，我们负责传递知识。平安治理论文火灾下钢框架构造抗倒塌才能阻碍参数分析 摘要：本文运用ANSYS有限元分析软件对两层单跨钢框架构造进展火灾模拟分析，分别考虑着火位置、初始荷载水平、梁柱线刚度比等要素对火灾下钢框架构造整体功能以及抗连续性倒塌才能的阻碍。结果说明，钢构造受火层从上层移至下层，梁跨中相对位移增大，耐火时间缩短，构造内力变化更为明显，整体功能和抗倒塌才能变差;增加初始荷载值，梁跨中相对位移增加，耐火时长缩短，构造内力明显增大，构造的抗火才能和抗倒塌才能变弱;减小梁柱线刚度比，耐火时长大大增加，梁内力变化幅度变小，可提高钢构

2、造的整体功能和抗倒塌才能。关键词：ANSYS;有限元;钢框架;火灾;抗倒塌才能1 引言随着科学技术的进步和经济社会的快速开展，钢构造在建筑工程中得到了广泛应用。钢构造相关于其它材料构造有特别多优势，但是，钢构造的耐火功能极差，其材料特性随着温度的升高而迅速降低。发生火灾时，构造内部可以在短时间内迅速升温至几百度甚至上千度。随着火灾温度升高和损伤的累积，钢构造的材料功能逐步劣化，构造内部逐步产生大变形和内力重分布，大大减弱了构造的整体功能，使钢构造发生严峻的破坏，甚至过早的整体倒塌，造成严峻的经济损失和人员伤亡。因此，研究框架构造的整体抗火功能和抗连续倒塌才能十分必要。目前，国内外已经做了大量的

3、构造高温试验，抗火理论也较为完善，但较多的是对单个的梁、柱构件进展研究分析，对整体框架的研究较少;火灾试验费用较高，试验过程难以操纵，不能全面考虑某单一变量对框架构造的阻碍，而进展数值模拟分析对计算机功能要求高，往往需要特别长的计算时间。本文以一单跨双层平面钢框架构造为例，利用ANSYS软件的热力耦合功能分析了着火位置、初始荷载水平、梁柱线刚度比等要素对火灾下钢框架构造的整体功能及抗连续性倒塌才能的阻碍。分析结果可以指导设计人员设计出合理的耐火保护措施，到达平安、经济、可靠的抗火设计目的。2 有限元模型的建立图1 两层单跨钢框架构造模型本文所选取的1跨2层平面钢框架构造模型如图1所示，跨长6m

4、，层高3m，梁柱尺寸分别为H400150810和H3003001016。左右端固定，梁上有均布荷载，钢框架构造三维模型见图1。钢材的密度取为7850Kg/m3;钢材的导热性、比热采纳EUROCODE3标准所规定的数值，钢材热工功能见表1、表2。钢材的热膨胀系数s=l.410-5，常温下的屈服应力y=235106N/m2;图2为钢材随温度变化的应力-应变关系曲线，图中共给出10个参考温度，每个温度时的应力-应变由3个点描绘。表1 钢材的导热系数取值温度/201009001000导热系数/W/(m)53.33450.6727.3627.36表2 钢材的比热取值温度20100200300400500

5、600比热J/(kg)439.8487.62529.76564.74605.88666.5759.92温度720735800900100011001200比热J/(kg)13885000832.42650650650650图2 钢材随温度变化的应力-应变关系曲线 图3 ISO-834标准升温曲线假定该梁所在空间温度按ISO-834标准火模型上升，定义标准火升温曲线函数：T=20+345log10(8t+1)，式中：T为温度，t为时间。温度曲线如图3所示。假定梁和柱的构造方式如下列图柱的腹部有砖墙，因此，仅朝受火单元的翼缘遭到热作用。梁上部托混凝土楼板，因此，除上翼缘上外表外的所有外表均遭到热作

6、用，如图4中虚线所示为受热边界。热量以对流和辐射的方式从热空气传递到构造外表，又以传导的方式在构造内部传播。(a)梁 (b)柱图4 梁、柱受火方式3 计算结果分析3.1 受火位置分析(1)变形分析本模型建立的双层单跨钢框架构造，在楼层遭到一样的均布荷载下，分析讨论受火部位这项要素对钢框架整体构造平安性以及抗倒塌才能的阻碍。本文梁采纳三面受火，柱采纳一面受火，进展分析，建立的模型如图5钢框架下层受火模型和图6钢框架上层受火模型。图5 钢框架下层受火模型 图6 钢框架上层受火模型在温度的作用下，钢材会出现不同程度的膨胀现象，梁和柱都有不同程度的拉伸，随着温度的升高，梁的相对位移也随之增加，但是柱子

7、的轴向伸长更大，造成梁的绝对位移小于常温值(如图7、图8)，如此不能直观的反响受火梁和非受火梁跨中位移的差异。因此，本文分别对非受火层、受火层的梁跨中相对位移和柱端水平位移进展比照分析(图9图12)。图7 下层钢框架受火某时刻变形图 图8 上层钢框架受火某时刻变形图图9 非受火梁跨中相对位移 图10 非受火柱端水平位移图11 受火梁跨中相对位移 图12 受火柱端水平位移从对非受火层的阻碍来看，火灾发生后，只要火灾没有蔓延至非受火层，对非受火层的位移阻碍特别小。但是，发生火灾的位置不同，阻碍的程度也有差异。从图9可以看出，下层受火时二层非受火构造的跨中位移(由10.77mm增加至18.97mm)

8、明显大于上层受火时一层非受火构造的跨中位移(由8.897mm增长至13.923mm)。从对受火层的阻碍来说，梁的跨中相对位移也有先增大后减小再增大的趋势。火灾发生初期，高温对钢构造的屈服强度和弹性模量的阻碍不大，钢构造力学功能下降不明显，比较小，构造受荷载作用产生一定的位移，但随着温度增加，高温对钢构造力学功能阻碍逐步增大，柱子两侧受热不均匀，向外侧产生一定的转角，导致梁跨中位移有了一定的减小，后期在高温阻碍下，钢材的承载才能急剧降低，使梁跨中相对位移不断增大。与此同时，受火位置的不同对受火梁阻碍程度也不同，同一时刻，下层受火梁的跨中相对位移(例如660s时，位移10.3mm)明显大于上层受火

9、梁的跨中相对位移值(4.13mm)，温度场分布阻碍了框架接构造梁柱的承载才能，受火楼层越靠近底层，该钢框架梁柱除了高温对力学功能的减弱，还遭到上部构造荷载的总和作用，受火楼层相对靠上，遭到上部构造的荷载作用相对较小，且受火层下部构造根本不受火灾阻碍，承载才能根本没有降低，还和常温下一样。下层柱由于遭到的约束相对较多，产生的水平位移相对小一点。在火灾作用下，钢框架构造整体是否到达承载力极限状态尚未构成统一的判别标准。在参阅相关文献9、10的根底上最终确定3条承载力极限状态判别标准：一是柱失稳;二是梁的跨中相对位移超过跨度的1/30;三是任意一点位移的增加速度超过2.5mm/min。以上一种或几种

10、情况同时出现，即认为构造破坏。通过对构造梁、柱的变形过程分析可知，当构造下层发生火灾时，在1min-12min之间，梁、柱变形特别小，构造没有破坏，从第12min开始，梁、柱变形突变，变形增加速度超过2.5mm/min，导致构造整体破坏，因此构造下层受火时的耐火极限为12min。当构造上层发生火灾时，在第18min开始，梁、柱变形增加速度超过2.5mm/min，因此构造下层受火时的耐火极限为18min。从构造的耐火时间来看，下层受火的耐火时间明显低于上层受火的耐火时间，下层发生火灾时，在12min时构造发生破坏，而上层发生火灾时，构造在18min时发生破坏。(2)内力分析钢框架构造是一个复杂的

11、超静定构造，分析受火钢框架构造，应当对它进展受力分析。随着构造受火，会进展内力重分布，钢框架在不同时刻的应力分布规律根本类似，选取时间为360s和720s时的应力分布，如图13所示。(a)下层受火钢框架在360s时的应力分布 (b)上层受火钢框架在360s时的应力分布(c)下层受火钢框架在720s时的应力分布 (d)上层受火钢框架在720s时的应力分布图13 下层和上层受火的钢框架应力分布图从上图可知，由于钢框架构造的梁是三面受火，柱是单面受火，导致柱内侧温度高于柱外侧温度，构成不均匀的温度场，产生了不同程度的温度变形，从而材料出现不同程度的劣化，钢框架构造则发生了复杂的内力重分布。梁柱节点和

12、柱脚等部位显示出较大的应力值，且应力较大值首先保持不变，然后渐渐减小。究其缘故是火灾刚刚开始时温度不高，对构造功能的阻碍较小，对最大应力值的阻碍也较小;随着温度接着升高钢构造的屈服强度和弹性模量遭到明显阻碍，钢构造的力学功能出现明显下降，其最大应力值也逐步变小。钢框架构造在受火层发生剧烈的内力重分布，以及材料劣化膨胀等力学作用，也会阻碍非受火层的应力分布。下层受火时，上梁跨中应力最大值到达217.587MPa;上层受火时，下梁跨中应力最大值到达136.926MPa，这也解释了下层受火对非受火层产生的跨中位移大于上层受火的跨中位移值。综上可知，火灾发生的位置越靠建筑物下层，同一时刻产生的变形也越

13、大，构造产生的内力重分布也越明显，耐火时间也越短，抗连续性倒塌的才能也越弱。3.2 初始荷载水平分析本文所指的初始荷载是钢框架构造未遭到火灾作用下所遭到的荷载作用，初始荷载水平不一样，对构造的高温功能也会有一定的阻碍。通过把初始荷载分别设置为梁上受均布荷载40kN/m和50kN/m进展高温功能比照分析。(1)变形分析得到的梁跨中相对位移图和柱端水平位移图见图14图17。图14 下层受火梁跨中相对位移值 图15 下层受火柱端部水平位移值图16 上层受火梁跨中相对位移值 图17 上层受火柱端部水平位移值从对非受火层的阻碍来看，初始荷载水平对梁跨中相对位移的阻碍主要发生在火灾前，火灾发生之后，走势差

14、不多。只是钢框架构造下层受火时明显一些，这也从另一角度说明了受火位置越靠下，对钢框架构造的阻碍越大。从对受火层的阻碍来看，初始荷载水平对梁跨中相对位移阻碍就比较明显了，初始荷载值大的梁跨中相对位移明显大于初始荷载值小的，钢框架构造下层受火时，发生火灾18min后，初始荷载值为50KN/m的位移值为72.431mm，而初始荷载值为40kN/m的位移值仅31.356mm(图14);钢框架构造上层受火时，发生火灭19min后，初始荷载值为50KN/m的位移值为91.244mm，初始荷载值为40KN/m的位移值仅8.909mm(图16)，现在，已经相差82.335mm。从构造的耐火时间来看，下层钢框架

15、构造受火的破坏时刻可以较为明显的看出：初始荷载值越大，钢框架构造的耐火时间越短。初始荷载值大的钢框架构造破坏时刻为10min，而初始荷载值小的钢框架构造破坏时刻为12min，明显的提早破坏2min，因此，关于建筑构造，应该尽量减少一些不必要的荷载。(2)内力分析由图18可以看出(括号数字表示构造的初始荷载值)，在火灾发生过程中，初始荷载水平大小对钢框架构造内力有特别大阻碍。火灭发生后，钢框架构造相对要平安的话，承受的应力值就应该尽量的小，如此受高温阻碍的材料才会有足够的承载才能去承担钢构造的各种荷载。假设初始荷载值相对较小，火灾发生后产生的应力也会较小，同一时刻，相对平安特别多，因此，应当尽量

16、减少一些不必要的初始荷载。(a)下层受火钢框架在360s时的应力分布(40KN/m) (b)下层受火钢框架在360s时的应力分布(50KN/m)(c)下层受火钢框架在720s时的应力分布(40KN/m) (d)下层受火钢框架在720s时的应力分布(50KN/m)(e)上层受火钢框架在360s时的应力分布(40KN/m) (f)上层受火钢框架在360s时的应力分布(50KN/m)(g)上层受火钢框架在720s时的应力分布(40KN/m) (h)上层受火钢框架在720s时的应力分布(50KN/m)图18 初始荷载不同的受火钢框架应力分布图综上所述，初始荷载水平的大小阻碍钢框架构造的耐火时间，建筑物

17、应该尽量减少不必要的荷载作用，有助于提高钢框架构造抗倒塌才能。3.3 梁柱线刚度比分析梁和柱的线刚度比确实是按照梁柱在弹性阶段刚度之间的比值，它受截面方式、截面尺寸、长度(或高度)等要素阻碍，也可以说，梁柱线刚度比是一个比较大的综合要素，它综合考虑了梁柱的各项力学功能以及互相之间的关系。构造梁柱线刚度详细情况见表3。表3 钢框架构造尺寸参数编号梁跨度L/mm柱高度H/mm梁截面mmmm柱截面mmmm梁柱线刚度比A63H400150810H30030010160.134B63H400150810H300150681.203(1)变形分析在这两种情况下得到梁跨中相对位移和柱端水平位移见图19图22

18、。图19 下层受火梁跨中相对位移值 图20 下层受火柱端部水平位移值图21 上层受火梁跨中相对位移值 图22 上层受火柱端部水平位移值由图19、图21可知，从对非受火层的阻碍来看，梁柱线刚度比对梁跨中相对位移的阻碍主要发生在火灾前，火灾发生之后，走势差不多。只是钢框架构造下层受火时明显一些，这也说明了受火位置越靠下，对钢框架构造的阻碍越大。由图19图22可得，梁柱线刚度比对钢框架构造下层受火和上层受火阻碍有差异。钢框架构造下层受火，下层梁遭到的约束较多，刚度比较小的梁抗弯才能较差，产生的跨中位移较大;钢框架构造上层受火，遭到的约束较小，刚度比较小的梁抗弯才能较弱，按照常理来说应该和下层受火一样

19、，会产生较大的跨中位移，而从图21看出，跨中产生的相对位移值反而先变小了，在温度和内力的综合要素下导致了在11min时，刚度比0.134的相对位移仅4.13mm，而刚度比1.203的相对位移为12.962mm。从构造的耐火时间来看，下层钢框架构造受火的破坏时刻可以较为明显的看出：梁柱线刚度比越大的，钢框架构造的耐火时间越短。梁柱线刚度比为1.203的钢框架构造耐火时间为11min，而梁柱刚度比为0.134的钢框架构造的耐火时间为18min。(2)内力分析图23为下层受火和上层受火不同梁柱线刚度比的内力比照图。(a)下层受火钢框架在360s时的应力分布(0.134)(b)下层受火钢框架在360s

20、时的应力分布(1.203)(c)下层受火钢框架在720s时的应力分布(0.134)(d) 下层受火钢框架在720s时的应力分布(1.203)(e)上层受火钢框架在360s时的应力分布(0.134)(f)上层受火钢框架在360s时的应力分布(1.203)(g)上层受火钢框架在720s时的应力分布(0.134)(h)上层受火钢框架在720s时的应力分布(1.203)图23 刚度比不同的受火钢框架应力分布图通过观察图23中梁跨中内力觉察，梁柱线刚度比大的钢框架构造跨中内力都比梁柱线刚度比小的跨中内力大，随着火灾时间的增加，温度的升高，梁柱力学功能的下降，承载才能降低，而构造产生的内力越大也就越危险，

21、由此可知，选用梁柱线刚度比较小的钢框架构造(强柱弱梁型)有助于钢框架构造整体抗火才能。综上所述，梁柱线刚度比对钢框架构造的阻碍较大，选择梁柱线刚度比小的钢构造可以提高构造的耐火时间，有助于提高钢构造的抗火功能和抗倒塌才能。4 结论本文通过数值模拟分析各类参数对钢框架构造整体功能以及抗倒塌才能的阻碍，获得了各要素下的梁柱变形特征及力学功能变化规律：(1)受火层从上层移至下层，梁跨中相对位移增大，耐火时长将从原来的18min减少至12min，构造内力变化更为明显，钢框架构造的整体功能和抗倒塌才能变差;(2)初始荷载水平由40kN/m增加至50kN/m，梁跨中相对位移增加，耐火时长由原来的12min

22、缩短至10min，构造内力明显增大，钢构造的抗火才能和抗倒塌才能变弱;(3)梁柱线刚度比由1.203变为0.134，即由强梁弱柱变为强柱弱梁，耐火时长大大增加，梁内力变化幅度减小，钢构造的整体功能和抗倒塌才能得到提高。参考文献：1 吕俊利, 孙建东, 董毓利. 钢框架厂房火灾后的破坏形态J. 防灾减灾工程学报, 2012, 32(S1): 95-98.2 王新堂, 周明, 王万祯. 约束H型钢柱火灾响应及火灾后力学功能试验研究J. 建筑构造学报, 2012, 33(2): 18-24.3 李国强, 张宏德. 部分火灾下钢框架中上翼缘无侧移工字梁的极限状态计算J. 建筑构造学报, 1997(4)

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