钢筋混凝土框架结构火灾反应全过程数值分析.pdf
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1、2013 年5 月第2 9 卷第3 期沈阳建筑大学学J o u r n a lo fS h e n y a n gJ i a n z h u报(自然科学版)U n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)M a y2 0 13V 0 1 2 9 N o 3文章编号:2 0 9 5 1 9 2 2(2 0 1 3)0 3 0 4 0 5 0 7钢筋混凝土框架结构火灾反应全过程数值分析刘永军1,毕然1,腾飞2,刘洋洋1(1 沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳1 1 0 1 6 8;2 辽宁省建设科学研究院,辽宁沈阳1 1 0 0 0 5)摘要:目的从火
2、灾场景的模拟、构件内温度场和结构的变形反应三个方面对钢筋混凝土框架结构的火灾全过程进行研究,为抗火设计提供参考方法采用火灾模拟软件F D S 对某商场首层火灾进行模拟,并对火灾下温度分布过程进行了研究,在此基础上利用A N S Y S 有限元分析软件对火灾条件下的构件进行温度场分析和变形分析结果边柱、中柱以及节点处温度靠近构件截面内部温度逐渐降低,且升温速率趋于缓慢节点核心区的温度较周围的梁段和柱段偏低各跨中挠度达到耐火极限的时间满足规范要求,结构各构件相继失去承载能力而发生倒塌结论火灾模拟软件F D S 得到的实际火灾升温曲线与国际标准火灾升温曲线相比温度偏低,采用国际标准升温曲线进行结构分
3、析是偏于保守的,因此笔者建议将F D S 对火灾的模拟结果作为结构分析的依据关键词:混凝土框架结构;火灾模拟;有限元模型;耐火极限中图分类号:T U 3 7 5 4文献标志码:AN u m e r i c a lS i m u l a t i o no fR e i n f o r c e dC o n c r e t eF r a m eS t r u c t u r ei nF i r e sL I UY o n g j u n l,B IR a n l,T E N GF e i 2,L 1 UY a n g y a n 9 1(1 S c h o o lo fC i v i lE n g
4、 i n e e r i n g,S h e n y a n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y,S h e n y a n g,C h i n a,1 1 0 1 6 8;2 B u i l d i n gS c i e n c eR e s e a r c hI n s t i t u t eo fL i a o n i n gP r o v i n c e,S h e n y a n g,C h i n a,1 1 0 0 0 5)A b s t r a c t:I nt h i sp a p e r,t h ew h o l en u m e r c i
5、 a ls i m u l a t i o np r o c e s s,i n c l u d i n gf i r es c e n a r i o si nab u i l d i n g,t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ns t r u c t u r a lm e m b e r s a n ds t r u c t u r a ld e f o r m a t i o n i ss t u d i e du s i n gs o f t w a r et op r o v i d ear e f e r e n c ef
6、o rf i r er e s i s t a n td e s i g n T h ef i r es i m u l a t i o ns o f t w a r eF D Si Su s e dt os i m u l a t ef i r eo nt h ef i r s tf l o o ro faf o u rs t o r ys h o p p i n gm a l l,a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o np r o c e s si ss t u d i e d,o nt h eb a s i so ft
7、h a t,u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y St oa n a l y z et e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o no fm e m b e r su n d e rf i r e T h ea c t u a lh e a t i n gc u r v eo ft h em a l li nf i r ei sg o t,s i d ec o l u m na n dm i d d l ec o l u m n b e
8、 a ma n dn o d ec r o s s s e c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n,t h em i d p o i n to ft h ed i f f e r e n tp o s i t i o no ft h eb o t t o me d g eo ft h ec o l u m nc r o s s s e c t i o no ft i m e t e m p e r a t u r ec u r v e s t h ef r a m e w o r ko ft e m p e
9、r a t u r ef i e l dc o n t o u r sa n ds t r u c t u r a ld e f o r m a t i o nm a D sa r ea l s oa c h i e v e d F i r es i m u l a t i o ns o f t w a r eF D Sa c t u a lf i r et e m p e r a t u r ec u r v ew i t hi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so ff i r eh e a t i n gc u r v ec o m p a
10、r e dt ot h el o wt e m p e r a t u r es i d ec o l u m n。t h ec o l u m na n dt h en o d ea tt e m p e r a t u r e sc l o s et ot h em e m b e rs e c t i o ni n t e m a lt e m p e r a t u r ei Sg r a d u a l l yr e d u c e d a n dt h eh e a t i n gr a t et e n d st ob es l o w T e m p e r a t u r e
11、i nt h ec o r ea r e ao fj o i n ta r el o wc o m p a r e dt ot h a ta r o u n dt h eb e a ma n dc o l u m ns e g m e n t S p a nd e f l e c t i o nr e a c h e dt h et i m eo fm ef i r er e s i s t a n c et om e e tt h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t l l es t r u c t u r eo fe a
12、c hm e m b e ra f t e ra n o t h e rc o l l a p s e sl o s so fc a r r y i n gc a p a c i t y K e yw o r d s:c o n c r e t ef r a m es t r u c t u r e;f i r es i m u l a t i o n;f i n i t ee l e m e n tm o d e l;f i r er e s i s t a n c e收稿日期:2 0 1 2 1 I 一2 5基金项目:国家十二五科技支撑计划项目(2 0 1 2 B A J l l B 0
13、2)作者简介:刘永军(1 9 6 6 一),男,教授,博士,主要从事建筑结构抗火性能研究万方数据沈阳建筑大学学报(自然科学版)第2 9 卷钢筋混凝土框架结构发生火灾的案例数不胜数,在2 0 1 0 年中,就发生了多次重大的火灾事故如2 0 1 0 年2 月9 日晚,中央电视台新台址工程的重要组成部分一电视文化中心发生火灾,造成一死7 伤;同年8 月2 8 日,辽宁省沈阳市铁西区万达广场售楼处发生火灾,造成1 1 人死亡、7 人受伤;同年1 1 月5 日,吉林商业大厦的火灾导致1 9人死亡,2 8 人受伤建筑火灾导致人员伤亡的一个主要因素是结构在火灾中的严重变形甚至倒塌为保证结构具有足够的抗火能
14、力,国内外对商场火灾都进行了一些试验研究,并取得了一定成果,制定了针对钢筋混凝土框架结构防火安全设计的一些规范和标准但传统的指令性防火设计规范并不能覆盖实际中的所有情况,如采用国际标准升温曲线来代替实际升温曲线会使计算结果存在误差以往的研究仅针对火灾作用下内部环境的升温问题,或直接采用国际标准升温曲线对构件进行温度和变形分析,缺乏对火灾全过程的整体考虑旧。J 笔者以钢筋混凝土框架结构的商场为实例,参考实际结构布局和荷载分布,以及材料在高温作用下的热工性能和力学性能,应用火灾模拟软件F D S 和有限元分析软件A N S Y S,从火灾场景的模拟、构件内温度场和结构的变形计算三个方面对结构在火灾
15、下的反应进行全过程分析得到了火灾下空间内各时刻温度场分布情况、构件内温度场分布规律以及结构在火灾下的变形反应和耐火时间,为今后对钢筋混凝土框架结构的抗火设计提供参考数据1 火灾场景模拟近年来,计算机的模拟和仿真技术已经成为火灾研究的重要手段各种火灾模拟软件也在不断涌现,比较常见的有F D S、F A 3、C F A S T 等F D S(F i r eD y n a m i c sS i m u l a t o r)是由美国国家技术研究院(N I S T)开发的一种专门解决火灾动力学发展的大涡模拟通用程序,可以较快速准确的分析三维火灾问题并处理较为复杂的几何场景H 1 同时,F D S 具有良
16、好的后处理能力,实现了输出数据的可视化,计算结果得到了实验的验证”“1 笔者以模拟某商场首层火灾为例来说明F D S 的应用该商场为钢筋混凝土框架结构,共4 层,层高4 2m,柱间距为7 2m,营业面积约1 04 3 8m 2,柱截面尺寸为5 5 0r a i n 5 5 0m n l,梁截面尺寸为6 0 0m m 3 0 0m m;窗户开口尺寸有60 0 0m m 24 0 0m m、24 0 0m l n 15 0 0m l n、12 0 0m l n 15 0 0m i l l 三种,建筑耐火等级为二级,笔者采用建筑物真实尺寸和位置进行模拟1 1 火灾场景的设置火灾场景的设置是根据建筑物
17、的结构以及可燃物的种类、分布和数量,对火灾的发展过程的一种语言描述【_ 模型为钢筋混凝土框架结构,假定内部空间连通,烟气在空间内可以顺利蔓延E m m o n s 曾在大量实验研究的基础上指出:内部的热应力是导致玻璃破裂的主要原因,而这种热应力和玻璃内部存在的温度差有关笔者假设火灾初始阶段玻璃窗关闭,火灾发生6 0 0S 后玻璃窗破裂,形成通风口由于楼梯口处设有防火卷帘,能够有效阻止火灾蔓延到其他的楼层,因此不考虑楼梯处的通风作用模拟失火面积取为9 3m 2,起火位置如图1 方块处,环境温度为2 0,单位面积热释放量为10 0 0k W 可燃物被引燃后的火源热释放速率按产火变化规律,随着火灾的
18、发展,燃料受到数量、面积等因素的影响,热释放速率逐渐趋于某个定值,此时火灾按稳态火源进行计算,热释放速率由F D S 程序自动迭加计算假设火灾只在商场首层蔓延此外,不考虑自动喷淋灭火系统对火灾的影响根据火灾荷载调查区域形状,可燃物的种类及数量,依据N F-P A 9 2 B 中推荐的热释放速率,建立了近似等效可燃物(见图1)Z注:为观测点位置,为火源位置图1等效火灾荷载示意图F i g 1S c h e m a t i co fe q u i v a l e n tf i r el o a d万方数据第2 9 卷刘永军等:钢筋混凝土框架结构火灾反应全过程数值分析4 0 71 2 模拟结果为了更
19、加清楚地观察空间内不同位置的温度变化,笔者给出距地面高度为4 2m 处水平方向不同时刻的温度分布图(见图2)温度,图2 距地面4 2m 处温度场分布F i g 2T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n4 2ma b o v et h eg r o u n d在以往的火灾模拟中,通常采用标准火灾升温曲线来设定空间温度和时间的关系,且假设火灾被控制在有限范围内,空间内温度均匀分布但是由于种种原因,标准升温曲线与真实火灾升温曲线存在一定差异,笔者为了得到商场在火灾下的真实温度分布,使A N S Y S 的分析结果更为准确,应用火灾模拟软件F D S
20、模拟了真实的商场火灾场景,并在图1 选定范围内各跨处设置了观测点观测点所得数据将用于本文A N S Y S 有限元分析所施加的温度荷载由于F D S 测点较多,下面只取其一做出说明图3 为I S O 国际标准升温曲线、F D S 火源处观测点时间温度曲线以及进行A N S Y S 有限元分析所采用的升温曲线的对比图由图2 可以看出随着火灾的发展,通风口的打开使火灾达到轰燃,通风口附近由于氧气充足使燃烧较旺盛,而中间区域由于供氧不足,温度较低,如图2(b);在通风口附近可燃物基本燃尽时,图3 时间一温度曲线F i 晷3 T i m e t e m p e r a t u r ec u r v e
21、 s氧气供应到空间内部,此时中间区域温度开始增高,如图2(C)由此可以得出通风条件对大空间枷姗枷如加枷姗瑚姗如加I度加m温7655m姗瑚如加0OO0O0OO”如M92万方数据沈阳建筑大学学报(自然科学版)第2 9 卷火灾的发展影响较大图3 中实测升温曲线明显低于相对保守的国际标准升温曲线,且实测升温曲线有明显的下降段由于F D S 的计算结果波动较大,为便于传热分析,笔者将F D S 计算结果进行分段处理,转化为多段线性变化的温度荷载进行计算2 构件内温度场分析为方便计算,采用以下基本假设:假设温度沿柱轴线方向分布相同,只考虑水平方向温度变化旧。9 1;假定材料的密度不随温度改变,只考虑比热容
22、和导热系数随温度的变化,且假定材料各方向热传导系数相同1 2 钢筋混凝土的热工性能和力学性能参数见表1 和表2 3 1 表1 混凝土不同温度下的材料性能T a b l eIM a t e r i a lp r o p e a i e so fc o n c r e t ea te l e v a t e dt e r n p e r a t u r e表2 钢筋不同温度下的材料性能T a b l e2M a t e r i a lp r o p e r t i e so fs t e e la te l e v a t e dt e m p e r a-t u r e受火层梁和柱采用体单元B
23、r i c k8 n o d e 7 0,其余部分采用梁单元B e a m l 8 8 构件在火灾作用下与周围环境之间通过热对流和辐射传热,取热对流系数为2 5W(m 2 K)、热辐射系数取0 5 混凝土采用C 3 0,钢筋采H P B 2 3 5 级钢,梁、柱配筋率分别为1 5 和4 5 图4 为框架在57 0 0s时的温度场分布云图图5 为与梁c 相连的右侧柱温度场分布云图和距截面底边中点分别为0m m、2 0m m、4 0m m、6 0I T I I T I、8 0l l l n l 和1 0 0i i i i i l处节点温度随时间变化的曲线图6 为与梁a 相连左边边柱的温度场分布云图
24、和距截面底边中点分别为0m l n、2 0m m、4 0m m、6 0m m、8 0m i l l 和1 0 0m m 处节点温度随时间变化的曲线图7 为梁c 温度场分布云图和距截面底边中点分别为0m i l l、2 0m m、4 0m m、6 0m i l l、8 0m m 和1 0 0m m处节点温度随时间变化的曲线图8 为梁b 与梁C 节点处温度场分布云图l。:警。i 蛰盔囊一-蓄翟一2 0 0 0 9 4 3 41 6 8 82 4 33 3 17 73 9 2 24 6 6 75 4 116 15 56 9 0 0图457 0 0S 时框架温度场F i g 4T e m p e r
25、a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ef l a m ea t57 0 0s黟:l鏊隧一l时间s(b)截面内各点的温度变化曲线图5中柱截面温度场分布及各点时间一温度曲线F i g 5T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ns e c t i o no fm i d d l ec o l u m na n dt i m e-t e m p e r a t u r ec u r v e s万方数据2 9刘永军等:钢竺兰堡圭堡竺竺竺查奎垦竺全苎堡鍪竺坌堑竺生一8 0 07 2 06 4 05 6 0,4
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