轻钢活动房结构抗火性能分析.pdf

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1、第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 轻钢活动房结构抗火性能分析王洪欣，查晓雄，王锦文，张梅松（哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广东 深圳；筑博设计股份有限公司，广东 深圳）摘 要：为了得到轻钢活动房结构的抗火性能，采用理论推导和有限元分析相结合的方法对其进行研究首先，从活动房单榀框架出发，基于临界温度相等的原则，将结构变形曲线简化为弹性段和垂直段，来代替原有的弹塑性模型；然后推导得到弹性段的变形公式，给出了分界点的确定方法，进而求得单榀结构火灾下的临界温度计算公式；最后，通过有限元比较了单榀框架和整体结构的抗火性能，并分析了框架榀数和着火位置对结构抗火性能的影响分析结果表明

2、：整体结构的抗火性能与单榀结构相近，框架榀数对整体抗火性能影响不大，最不利的火灾位置为中部房间关键词：活动房；抗火性能；有限元；临界温度；着火位置中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：深圳市科技计划项目深港创新圈深科信（）号作者简介：王洪欣（），男，博士；查晓雄（），男，教授，博士生导师通信作者：王洪欣，活动房采用轻钢结构形成其骨架系统，以夹芯墙板形成围护系统，因其拆装便捷、环保节约等优良特性，被广泛应用于建设工地和安置用房等活动房建筑的火灾事故时有发生，而国内外对该类结构的研究还不充分，其防火设计缺乏科学理论依据目前，钢框架结构的抗火性能已有一定研究基

3、础，等开展了一系列简支梁和不同形式钢框架的抗火试验 等提出了一种简化分析方法用来分析钢框架结构极限抗火性能 等进行了著名的 钢结构抗火试验，发现建筑结构的耐火性能较单独计算构件的耐火性能好 等研究了无防火保护的钢框架结构在循环火灾荷载作用下的性能反应赵金城等对单层单跨钢框架结构进行了 次不同水平荷载作用下的抗火试验王洪欣等分析了活动房屋在火灾下的破坏情况及空间屋顶钢结构网架的抗火性能李国强等对火灾下受约束钢梁和足尺钢柱的力学性能进行了试验研究和理论计算上述学者虽对钢构件或钢框架的抗火性能进行了一定研究，但对结构的整体抗火性能研究较少，特别是这种临时性的轻钢活动房本文采用理论推导和有限元计算方法

4、对活动房的抗火性能进行研究，对比分析了单榀框架和整体结构的抗火性能，以及框架榀数和着火位置对结构抗火性能的影响 活动房单榀框架火灾下变形计算 火灾下单榀框架变形的理论计算模型根据文献可知，火灾下结构整体承载力极限状态的判别标准为：结构丧失整体稳定或达到不适于继续承载的整体变形（见图），其界限取值为（）火灾下由于构件温度的升高导致材料软化，在外力不变情况下，构件的变形将不断增加，当构件变形达到界限变形值 时，此时温度为结构临界温度，见图 其中，变形曲线为考虑了材料的弹塑性情况；当材料假定为理想的弹性材料时，对应的曲线为 段，点为进入塑性的起始点，点为界限变形点，其对应的变形为界限变形，其对应的温

5、度为临界温度 l i mh图 结构整体变形0cl i mBC弹塑性弹性塑性起始点Tl i mTA图 结构的界限变形 已知变形温度曲线，根据界限变形就可以求出临界温度，临界温度的求解是问题的关键所在在此基于临界温度相等，将结构变形曲线简化为弹性段和垂直段，其中垂直段过临界点，与弹性段相交于点 最终，采用弹性段和垂直段的两段式模型来代替原有的弹塑性模型，对问题进行简化，同时保持临界温度的取值不变因此，只需要给出弹性阶段（对应曲线）的变形公式和分界点（对应变形）的取值方法，就能求出临界温度 弹性阶段变形的理论计算活动房构件为轻钢构件，可认为构件的截面温度是均匀分布的，并与火灾环境温度相同活动房的结构

6、是由若干个单榀框架通过连梁和支撑等构件连接而成，故本节先推导出火灾下单榀框架的变形公式，进而再通过有限元比较单榀框架和整体结构抗火性能的差异本文在计算火灾下结构的变形时，同时考虑了外荷载作用下的变形和由温度膨胀引起的变形由于篇幅有限，本文只给出单层活动房结构的变形界限值的求解方法，其他活动房结构的计算见文献 荷载作用下的变形单层框架模型见图，其中，单层框架柱和梁构件的线刚度分别为 和，节点转角分别为 和，框架水平变形为，水平荷载为，柱顶轴向荷载为 i12N1i1i2FN图 单层框架参数示意 根据位移法计算，并考虑轴力影响的柱端水平位移为（）（），（）式中：为柱端水平力，；为柱截面的惯性矩，；为

7、柱子高度，；为梁截面的惯性矩，；为梁的长度，；为高温下钢材弹性模量，；为柱顶轴向荷载，膨胀引起的变形计算框架结构在火灾下的膨胀变形时，可将受火构件的温度效应等效为杆端作用力，将该作用力作用在与该杆端对应的结构节点上，然后按常温下的分析方法进行结构分析单层框架的梁构件在火灾下升温膨胀，沿构件轴向产生膨胀应力，相当于在柱端施加一水平力，柱子发生水平第 期王洪欣，等：轻钢活动房结构抗火性能分析变形，见图 11PPI2l2I1l1F i r e图 单层框架钢材膨胀下的柱顶水平变形 设梁膨胀所引起的柱顶水平变形为，对应的膨胀力为，则，（）（）由上式可得 （）式中：为梁的截面面积，；为钢材的膨胀系数，；为

8、构件温度增量，结合式（）和式（），可得单层框架水平变形 的最终表达式为（）（）（）弹性段与垂直段分界点的取值轻钢构件，可认为构件的截面温度是均匀分布的，并与火灾环境温度相同，火灾温度可以施加于着火房间内部构件的单元节点上，通过给定升温曲线的形式给结构施加温度场本文采用 有限元程序建立结构模型，活动房结构防火有限元计算方法及验证见文献 单层框架的有限元模型中，材料分别采用理想弹性和弹塑性两种本构模型对于单层框架的界限变形值，考虑到的影响参数包括：构件的截面尺寸、长度和外界荷载，其中截面尺寸和长度的改变也就是构件线刚度的改变因此，包括 个参数，即：柱子线刚度、屋架线刚度、柱端水平荷载和屋架竖向荷载

9、，每种参数考虑了 种情况（基本涵盖了实际工程范围），见表 为了避免大量的参数分析，在此采用均匀设计的方法，均匀设计表见表，其中设计编号 表示，第一个参数取第二个值，第二个参数取第四个值，第三个参数取第一个值，第四个参数取第三个值，其他编号意义类推表 模型参数的选取编号柱线刚度（）屋架线刚度（）水平力 柱顶轴力 注：为常温下线刚度，随构件升温发生变化表 均匀设计及计算结果编号设计编号柱线刚度（）屋架线刚度（）水平力 柱顶轴力 界限变形 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷 部分算例的单层框架变形图，见图；各种情况下对应的变形界限值汇总，见表 0-5 0-1 0 0-1 5 0-2 0 00

10、1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0t/弹塑性模型弹性模型5 6 59 57 1单层水平变形/m m（）0-5 0-1 0 0-1 5 0-2 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0t/弹塑性模型弹性模型6 4 19 57 3单层水平变形/m m（）图 单层结构水平界限变形 通过计算，可以得到不同情况的界限变形值，由于界限变形值变化范围不是很大，故本文取界限变形的平均值作为界限变形值，（）式中：为单层框架水平变形分界点取值，为单层框架高度由此，根据弹性阶段变形的计算公式（）和对应的界限变形计算公式（），就能求出活动房单榀

11、框架的临界温度值 整体结构的抗火性能分析 活动房有限元模型建立 几何尺寸及材料模型活动房结构主要截面尺寸屋架和楼面梁弦杆的截面为 型钢 ，檩条截面为 ，柱由两 型钢拼装而成，其单层柱的 型钢截面为 ，两层柱的 型钢截面为 活动房结构的横向长度分别为 跨至 跨，纵向长度为 榀至 榀，每跨或每榀的长度为 钢材采用双折线本构模型，其常温下的屈服强度为 单元类型结构中的梁、柱和檩条等截面为薄壁截面，在有限元中用开口薄壁梁单元 进行模拟，屋架腹杆、楼面梁腹杆、弦杆和柱间支撑只能承受拉伸或者压缩荷载的杆件，不能承受弯曲，采用杆单元 进行模拟 荷载及边界条件水平荷载以集中力的形式施加于各层柱顶；竖向荷载以集

12、中力的形式施加于屋架上弦节点和均布 荷 载 形 式 施 加 于 楼 面 梁 上 弦 根 据进行荷载组合，框架柱顶的水平集中荷载对于两种风荷载情况分别为 和 ；楼面梁上的竖向均布荷载，对于两种楼面活荷载均布线荷载分别为 和 ，其他荷载同理可得活动房柱子底部与地面固接；火灾温度按 标准升温曲线取值，并施加于着火房间内部构件的单元节点上 框架榀数对结构防火性能的影响实际工程中，活动房屋通常采用的榀数为 榀至 榀，本文以横向宽度为 跨的活动房为例，分析了榀数为 榀和 榀的单层活动房整体结构的水平变形和两层活动房结构的楼面梁竖向变形，见图 其中，单层结构柱端水平荷载为 ；两层结构每层柱端水平荷载为 ，楼

13、面梁的竖向荷载为 以下整体结构中的变形值，取受火部位中最大一榀的变形值1 0 榀6 榀0-3 0-6 0-9 0-1 2 0-1 5 002 0 04 0 06 0 08 0 0t/变形值/m m（）单层框架的整体水平变形1 0 榀6 榀01 0 03 0 05 0 07 0 0t/-1 0-2 0-3 0-4 0-5 0-6 0-7 0-8 0变形值/m m（）两层框架的楼面梁竖向变形图 框架榀数对结构抗火性能的影响第 期王洪欣，等：轻钢活动房结构抗火性能分析 通过分析可知：对于单层结构随着纵向榀数增加，其柱端水平变形略微增加；随着纵向榀数的增加，两层结构的楼面梁竖向变形差别变化很小，故活动

14、房榀数对结构的耐火性能影响不大 着火位置对结构防火性能的影响为了得到不同着火房间对结构耐火性能的影响，本文以 跨 榀的活动房为例，找出最不利的着火位置 榀的活动房可以分为 间房，由于结构的对称性，可分为 个不同的火灾位置，从左至右为房、房 和房，房间位置见图 当火灾分别发生在这 个位置时，采用有限元得到了单层结构的整体水平变形和两层结构的楼面梁竖向变形，见图 房1房2房3（）单层活动房房间的划分房1房2房3（）两层活动房房间的划分图 活动房屋房间的划分 通过分析可知：对于单层活动房整体结构，中部房间发生火灾时对结构略显不利；对于两层活动房整体结构，着火房间的位置对结构的影响不大 单榀框架与整体

15、结构抗火性能的比较单榀框架是活动房整体结构的基本组成单位，为了比较整体结构与单榀框架的抗火性能，选取横向为 跨、纵向为 榀的整体结构与单榀框架进行比较，整体结构的火灾发生在中部房间，计算结果见图 分析可知：对于单层活动房，其整体结构的抗火性能要优越于单榀框架单榀框架在火灾温度达到 左右开始濒临垮塌，而整体结构由于受房屋纵向各种联系构件的有效支撑，结构在 左右时才濒临垮塌对于两层活动房，其楼面梁的支撑构件为楼面次梁，由于着火房间内几个跨度的楼面梁变形较为一致，使得次梁支撑作用不大，故单榀框架和整体结构的耐火性能相差不大房1 着火房2 着火房3 着火0-3 0-6 0-9 0-1 2 0-1 5

16、00 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0t/变形值/m m（）单层结构柱顶水平变形房1 着火房2 着火房3 着火01 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0t/-1 5-3 0-4 5-6 0-7 5-9 0变形值/m m（）两层结构楼面梁竖向变形图 不同火灾位置对整体结构抗火性能的影响0-2 0-4 0-6 0-8 0-1 0 00 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0t/变形值/m mF=1.7 k N(单榀)F=1.7 k N(整体

17、)F=1.2 5 k N(单榀)F=1.2 5 k N(整体)（）水平变形比较（单层结构）0-2 0-4 0-6 0-8 0-1 0 00 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0t/F=2.3 k N/m(单榀)F=2.3 k N/m(整体)F=1.8 2 k N/m(单榀)F=1.8 2 k N/m(整体)变形值/m m（）楼面梁变形比较（两层结构）图 单榀框架与整体结构的变形比较 结 语本文基于结构整体承载力极限状态判别标准为火灾下结构达到不适于继续承载的整体变形，从活动房屋单榀框架出发，基于临界温度相等的原则，将结构变形曲线简化为弹

18、性段和垂直段，来哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷代替原有的弹塑性模型理论推导得到弹性段的变形公式，并给出了分界点的确定方法，进而求得了单榀结构火灾下的临界变形值通过计算可知：对于单层结构，随着纵向榀数增加，其整体水平变形略微增加；对于两层结构，随着纵向榀数的增加，其楼面梁竖向变形变化不大，故框架榀数对结构抗火性能影响不大不同着火房间对结构耐火性能的影响，中部房间发生火灾时对结构相对不利对于单层活动房整体结构，其耐火温度略高于单榀框架；对于两层活动房整体结构，其耐火温度与单榀框架相近参考文献 ，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：赵金城，沈祖炎，沈为平 钢框架结构抗火性能的试验研究 土木工程学报，（）：王洪欣，查晓雄，宋瑞强 集成房屋抗火性能及不同板材对其抗火性能影响 工业建筑，（）：王洪欣，查晓雄，余敏，等 某机场航站楼屋顶网架结构的性能化防火分析 哈尔滨工业大学学报，（）：李国强，韩林海，楼国彪，等 钢结构及钢混凝土组合结构抗火设计 北京：中国建筑工业出版社，：王洪欣 金属面夹芯板结构抗爆抗冲击及防火性能的研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，：，：中国工程建设标准化协会 ：建筑钢结构防火技术规范 北京：中国计划出版社，：（编辑 赵丽莹）第 期王洪欣，等：轻钢活动房结构抗火性能分析