摘要
采用火灾下门式钢刚架结构足尺倒塌试验验证有限元模型（FEM），然后对门式钢刚架结构进行二维及三维模拟，并研究构件升温工况、柱脚刚性、跨高比、防火保护、截面温度梯度、荷载比、风荷载及次要构件等因素对火灾下门式钢刚架结构倒塌模式的影响，归纳出四种典型倒塌模式。结果表明：有限元模型能准确预测火灾下门式钢刚架结构的倒塌行为；构件升温工况、柱脚刚性、荷载比及次要构件对倒塌模式影响较大，而风荷载、防火保护、截面温度梯度及跨高比对倒塌模式影响较小。最后，归纳了不均匀火灾下门式钢刚架结构的倒塌规律。
门式钢刚架结构体系具有成本低廉、工业化程度高等优势，已作为一种重要的结构形式广泛应用于单层厂房、仓库及商业建筑
由于缺乏对火灾下工程结构倒塌机理的清晰认识，近年来倒塌事故频繁发
为了明确门式钢刚架在火灾下的倒塌机理，国内外学者开展了一些试验研究。Won
然而，足尺试验的成本过于昂贵，而且仅通过试验难以得到倒塌规律。随着性能化抗火设计的不断发展，数值模拟手段已成为火灾下钢结构倒塌研究的重要手
虽然国内外学者取得了一些研究成果，但关于火灾下门式钢刚架结构倒塌模式的研究仍然存在不足。一方面，上述关于倒塌模式的研究仅关注了典型构件均匀升温工况下发生的各种倒塌行为，并不能完全反应千变万化的真实火灾，究竟有多少种倒塌模式目前尚不清晰；另一方面，上述研究侧重结构的抗火性能，并未重点关注倒塌过程中的典型规律。
结构倒塌模式是工程设施倒塌预警的重要基础。因此，基于已知的火灾下门式钢刚架足尺倒塌试验结果对有限元模型进行验证，并采用经试验验证的有限元模型研究门式钢刚架结构在不均匀火灾场景下的倒塌模式与规律，为真实火灾下门式钢刚架的倒塌预警提供基础。
采用大型商业有限元软件Abaqus的显式动力分析模块。模型考虑了几何非线性、材料非线性、大变形、阻尼、刚度退化以及结构倒塌时的动力响应。
采用考虑剪切、弯曲和轴向变形的一阶三维铁木辛柯梁单元（B31）模拟结构构件。显式动力分析计算结果的准确性与网格划分的大小有关，网格越密，稳定增步长也就相对越小，计算结果越精确，但计算时间显著增加。研究表明，采用过于精细的有限元模型对力学响应结果的影响较
采用连接单元CONN3D2模拟柱脚的半刚性连接。根据钢结构协会SCI设计规范的规定，按理想弹塑性计
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式中：为柱脚抗弯刚度；为柱脚极限弯矩；分别为与柱脚相连柱的抗弯刚度、高度及塑性承载弯矩；和分别为刚度及强度降低系数。
图 1 EC3高温应力‒应变本构模型（Q345）
Fig. 1 EC3 high-temperature constitutive model（Q345）
高温下钢材热膨胀系数按照GB51249―201
模型共包括两个荷载步。第一荷载步对结构施加恒载；第二荷载步则在恒载不变的条件下对受火区域进行升温，直至结构倒塌。考虑到实际火灾的持续时间过长，而显式动力分析的时间增量步一般很小，若按实际火灾持时计算耗时耗力，因此需要对时间进行缩尺处
采用Rayleigh阻尼模型考虑结构动力失效过程中阻尼的影响，同时按照GB50017―201
文献[
试验对象为足尺门式钢刚架结构，平面尺寸12.0 m×6.0 m，檐口高度5.4 m，屋面坡度1/15，屋面及墙面均采用单层彩钢板，如
图 2 试验现场照
Fig. 2 Portal frame on sit
图 3 有限元模型（单位：mm）
Fig. 3 Finite element model（unit:mm)
分别在建筑外侧距离地面0.8 m、2.5 m和4.2 m高的位置设定滑轮，通过悬挂沙袋的方式在柱相应位置施加2.8 kN的集中力（共6个加载点），以模拟0.5 kN·
图 4 温度时程曲线
Fig. 4 Temperature history curve
为研究柱脚刚性对火灾下门式钢刚架结构倒塌模拟的影响，分别模拟了柱脚完全铰接、半刚接（为2、为0.5）及完全刚接的情况。此外，试验量测了1/3跨度处的竖向位移、檐口处的水平位移及竖向位移（见
模拟结果与试验结果的对比如
图 5 位移曲线对比
Fig. 5 Comparison of displacement curves
有限元模型还模拟了不同柱脚刚性试验模型的结构倒塌模式，如
图 6 有限元模型模拟的结构倒塌模式
Fig. 6 Predicted collapse mode of the structure with FEM simulation
二维门式钢刚架结构模型如
图 7 结构二维模型
Fig. 7 Two-dimensional model of the structure
门式钢刚架结构体系多用于大空间建筑，火灾发生时由于设置了必要的防火隔墙，结构往往是局部受火，因此非受火部分通过次要构件对受火部分的约束作用不可忽略。建立了一个三维模型研究火灾下檩条等次要构件对倒塌模式的影响。结构三维模型如
图 8 结构三维模型
Fig. 8 Three-dimensional model of the structure
三维模型考虑了檩条等次要构件的约束，更符合真实情况。檩条与墙梁均按间距1.5 m布置，在檐口与屋脊位置布置了连系梁以加强平面外约束。屋面位置设置了必要的支撑以加强整体作用。另外，为了防止檩条与墙梁的失效，在跨中位置设置了必要的拉条。
ISO834标准火灾升温曲线广泛应用于结构抗火设计。基于标准火灾升温曲线，采用参数化升温曲线近似模拟无防火保护钢构件火灾下的升
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式中：为构件达到的最高温度；为室温，20 ℃；为与升温速率相关的参数。
图 9 参数化升温曲线
Fig. 9 Parameterized temperature curve
考虑了单火源、双火源、二维及三维等因素，对门式钢刚架模型共设置了70种构件升温工况，如
fire表示相应区域的受火范围，表中数字分别与图 7和图 8中的编号对应，表示结构中受火的区段。
考虑到实际存在多种跨度的门式钢刚架结构体系，为了研究跨高比对倒塌模式的影响，选取四种典型跨度，即12 m、18 m、24 m以及30 m，分别代表跨高比为2、3、4、5的情况。梁柱采用同一截面，截面尺寸如
为了保证钢结构在火灾下的承载能力，需要设置必要的防火保护。按照规范GB50016―201
考虑到实际火灾发生时，由于通风的影响，构件外侧温度低于内侧温度，因此构件截面上温度分布不均
基于参数分析，归纳出火灾下门式钢刚架结构四种典型的倒塌模式，即柱侧倾倒塌模式（A类）、柱屈曲倒塌模式（B类）、梁柱整体向内倒塌模式（C类）、梁柱整体向外倒塌模式（D类）。
柱侧倾倒塌模式（A类）和柱屈曲倒塌模式（B类）主要发生在仅柱受火的构件升温工况，如
图 10 四种典型倒塌模式
Fig. 10 Four typical collapse modes
梁柱整体向内倒塌模式（C类）和向外倒塌模式（D类）主要发生在受火范围较大即梁柱共同受火的火灾场景，如
图 11 倒塌过程与机理
Fig. 11 Collapse process and mechanism
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
图 12 整体向外倒塌（F2‒DL7R6‒铰接）
Fig. 12 Overall outward collapse（F2-DL7R6-pinned base）
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
图 13 柱屈曲倒塌模式（F2‒SC5B0‒G400‒刚接）
Fig. 13 Buckling collapse mode of column（F2-SC5B0-G400-fixed base）
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
图 14 考虑荷载比影响的倒塌临界温度
Fig. 14 Critical temperature of collapse considering the effect of load ratio
（）中数字表示倒塌时临界温度，工况均为F2。
上述分析仅考虑结构平面内的自由度，平面外的自由度忽略不计，该假定可以较为准确地模拟单榀门式钢刚架在火灾下的倒塌行为，但忽略了次要构件（檩条、墙梁等）对受火钢刚架的约束作用，造成偏于保守的模拟结果。
（）中数字表示倒塌时临界温度。
对于仅柱受火工况，次要构件约束了受火柱的侧倾变形，抑制A类倒塌发生，当受火范围较小时，结构在受火60 min后都未发生倒塌，随着受火范围增加，B类倒塌发生。另外，无论针对刚接结构还是铰接结构，倒塌时的临界温度都得到了显著提高。
对于梁柱共同受火工况，柱脚刚接提供了足够的承载力，所以倒塌模式并未发生改变，但次要构件的约束作用使结构发生明显的再平衡，显著提高了承载能力。对于铰接结构而言，虽然无法提供足够的侧向约束，但次要构件的约束作用抑制了受火钢刚架向外倒塌的趋势，改变了倒塌模式。以
图 15 向内倒塌模式（F3‒SC4B8‒铰接）
Fig. 15 Inward collapse（F3-SC4B8-pinned base）
会约束其变形，从而形成相互作用力，使得中间钢刚架向内发生倒塌，而两侧未受火钢刚架向外倒塌。另外，位移变化规律表明，只要次要构件的约束足够强，即使对于铰接结构，再平衡现象也会发生。
（1）门式钢刚架结构在火灾下主要存在四种典型的倒塌模式，即柱侧倾倒塌模式（A类）、柱屈曲倒塌模式（B类）、梁柱整体向内倒塌模式（C类）、梁柱整体向外倒塌模式（D类）。结构发生A类和B类倒塌模式时的临界温度较高，而发生C类和D类倒塌模式时的临界温度较低，故门式钢刚架结构在真实火灾下发生A类和B类倒塌模式的概率较低，而发生C类和D类倒塌模式的概率较高，需重点关注。
（2）门式钢刚架结构构件升温状况显著影响结构倒塌模式。A类和B类倒塌模式发生在仅柱受火工况，C类和D类倒塌模式则发生在梁柱共同受火工况。
（3）柱脚刚性对门式钢刚架结构倒塌模式影响显著。对于仅柱受火工况，柱脚铰接结构多发生A类倒塌，柱脚刚接结构多发生B类倒塌。对于梁柱共同受火工况，柱脚铰接结构多发生D类倒塌，柱脚刚接结构多发生C类倒塌。
（4）跨高比、截面温度梯度及风荷载对火灾下门式钢刚架结构倒塌模式的影响较小，但对倒塌时的临界温度略有影响。
（5）防火保护的存在对火灾下门式钢刚架结构倒塌模式的影响很小，但会影响结构倒塌时的临界温度。对柱进行必要的防火保护能有效地改善火灾下门式钢刚架结构的抗倒塌性能。
（6）荷载比对门式钢刚架结构倒塌模式和倒塌时临界温度均有显著影响，无论结构发生何种倒塌模式，倒塌时临界温度均随荷载比的增加而显著降低，即产生不利影响。
（7）当相邻钢刚架因防火分隔等因素受火较小时，相邻钢刚架之间的次要构件对受火钢刚架倒塌模式及倒塌时临界温度的影响较为显著。当仅柱受火时，结构基本保持直立或发生B类倒塌，当梁柱共同受火时，结构多发生C类倒塌，并呈现出明显的再平衡现象，提高了火灾下门式钢刚架结构的抗倒塌能力。
贡献声明
李国强：提出研究命题，设计并构思研究方案，对论文做最后审阅及定稿。
冯程远：数值模拟，数据收集，结果分析并撰写论文。
楼国彪：审阅初稿，提出指导意见。
参考文献
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