摘要
采用有限元模型对双跨门式刚架钢结构的火灾试验进行了模拟,表明有限元模型可以准确预测火灾下双跨门式刚架钢结构的倒塌行为与倒塌模式。采用经试验验证的有限元模型,对火灾下双跨门式刚架钢结构的倒塌过程进行了数值模拟,归纳出双跨门式刚架钢结构的6种典型倒塌模式,并与单跨门式刚架钢结构的倒塌模式进行了对比,说明了中柱的存在对双跨门式刚架钢结构倒塌机制的重要影响。最后,通过大量的参数分析,研究了升温工况、柱脚刚性、中柱柱顶连接形式、荷载比、防火保护、温度梯度、跨高比和柱距等因素对火灾下双跨门式刚架钢结构倒塌模式的影响。参数分析结果表明,升温工况对双跨门式刚架钢结构的倒塌模式有显著影响,柱脚刚性、中柱柱顶连接形式、荷载比、跨高比和柱距对边柱倒塌模式和整体倒塌模式有一定影响,防火保护对中柱倒塌模式有一定影响,截面温度梯度对倒塌模式影响较小。结果可为双跨门式刚架钢结构在火灾下的倒塌预警提供参考。
关键词
门式刚架钢结
当建筑物发生火灾时,消防官兵需要入内灭火并抢救被困人员与重要物资,然而在消防救援过程中有不少建筑物突然倒塌,严重威胁到消防官兵的人身安
为实现火灾下门式刚架钢结构的倒塌预警,首先需要对结构的倒塌模式有清晰的认识。倒塌模式是对结构倒塌行为的规律性总结,反映了结构的倒塌机制,是倒塌预警理论的基础。目前对火灾下门式刚架钢结构倒塌模式的研究主要采用试验与数值模拟方法。Lou
由于试验成本较高,且通过试验无法系统地总结结构倒塌的一般规律,数值模拟已成为火灾下门式刚架钢结构倒塌研究的重要手段。Souza
虽然研究人员已经取得了一系列成果,但关于火灾下门式刚架钢结构的倒塌模式研究仍然不足。上述研究更多地关注典型结构构件在火灾下的倒塌行为或结构在火灾下的抗倒塌性能,并未系统性地归纳门式刚架钢结构在各种可能火灾场景和不同几何与物理参数组合下的倒塌机制,包括火灾中门式刚架钢结构究竟有多少种倒塌模式尚不清晰。
李国强
本文在单跨门式刚架钢结构倒塌模式研究的基础上,研究火灾下双跨门式刚架钢结构的倒塌模式,分析其倒塌机制,并探索火灾下各种参数对倒塌模式的影响。
在大型商业有限元软件ABAQUS的显式动力分析模块中进行火灾下门式刚架钢结构倒塌的数值模拟,分析中综合考虑了刚架倒塌过程中的非线性效应、动力效应、阻尼和刚度退化的影响。
采用考虑弯曲、剪切和轴向变形的B31单元模拟结构构件。模型共设置2个荷载步,第一荷载步对模型施加力学荷载,第二荷载步在恒荷载不变的情况下对刚架的受火区域进行升温,直至结构倒塌破坏。根据钢结构设计标
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,稳定增量步长也就相对越小,计算结果越精确,但计算时间显著增加。通过对网格尺寸敏感性分析,决定根据构件的重要程度采取不同的网格尺寸,设置梁、柱的网格尺寸为0.15m,檩条等次要构件的网格尺寸为0.30m。由于实际火灾的升温时间较长,为节约有限元的分析时间,需要将升温时间进行缩尺处
钢材高温下的应力-应变模型按EC

图1 EC3钢材高温应力-应变模型(Q235)
Fig. 1 EC3 high-temperature constitutive model (Q235)
文献[
试验刚架平面尺寸为36m×12m,边柱柱距6.0m,檐口高度5.4m,屋面坡度1:15,屋面围护为单层彩钢板,在跨中位置设置平面尺寸为4m×6m的受火隔间,隔墙为双层彩钢岩棉夹芯隔墙,隔间内堆放8
在试验中,刚架边柱与横梁为变截面构件,中柱为等截面构
热电偶测量结果显示,火场内部温度沿高度方向可以分成上下2个区域,因此在数值模拟中可以将受火柱上下区域的平均温度作为热边界输入,由于热烟气与热辐射的影响,在受火隔间附近4m范围内的非受火梁也具有较高的温度。将刚架划分为不同的受火区域,如

图2 有限元模型中的温度分
Fig. 2 Temperature distribution in finite element mode
有限元结果显示试验刚架发生了明显的向内倒塌模式,与试验现象一致(

图3 试验刚架倒塌模式对比
Fig. 3 Comparison of collapse mode of the test frame

图4 试验刚架位移曲线对
Fig. 4 Comparison of measured and simulated displacements of the test frame
采用三维门式刚架钢结构进行参数分析,结构模型如

图5 双跨门式刚架钢结构模型(单位:m)
Fig. 5 Structural models of double span steel portal frame(unit:m)
采用参数化升温曲
(1) |
式中:T0 为室温,取20℃;Tmax为构件达到的最高温度,与升温工况有关;α为升温速率有关的参数,取0.001。该升温曲线与热平衡理论计算出的无防火保护钢构件在ISO834标准火灾升温下的温度曲线基本一
门式刚架钢结构体系多用于大空间、大跨度建筑,由于设置了必要的防火隔墙,结构在火灾中往往是局部受火。为了研究火源位置、火源功率对门式刚架钢结构倒塌模式的影响,采用分区段升温的方

图6 跨度方向的温度分区
Fig. 6 Temperature partition of the frame along the span
注: 表中数字与图6中的编号对应,表示结构中受火的区域。
文献[
由于钢材在高温下材性退化严重,门式刚架钢结构一般设置必要的防火保护,以保证火灾下结构在规定时间内的承载能力。为了研究不同防火保护条件对倒塌模式的影响,按照建筑设计防火规
实际火灾发生时,由于通风等因素的影响,构件沿横截面存在温度梯度,为研究截面温度梯度对倒塌模式的影响,建设截面温度梯度为线性分布,研究不同的温度梯度对倒塌模式的影响。选取3种不同的温度梯度,分别为200、 400、 600 ℃·
采用经试验验证的有限元模型,对上述各种参数条件的双跨门式刚架钢结构在火灾下的倒塌模式进行分析,基于参数分析结果归纳出了火灾下双跨门式刚架钢结构的6种典型倒塌模式,即:边柱侧倾倒塌模式(A类)、边柱屈曲倒塌模式(B类)、整体向内倒塌模式(C类)、整体向外倒塌模式(D类)、边跨局部倒塌模式(E类)和中柱倒塌模式(F类),如图

图7 边柱侧倾倒塌模式(A类)
Fig. 7 Side column lateral collapse mode (A)

图8 边柱屈曲倒塌模式(B类)
Fig. 8 Side column buckling collapse mode (B)

图9 整体向内倒塌模式(C类)
Fig. 9 Overall inward collapse mode (C)

图10 整体向外倒塌模式(D类)
Fig. 10 Overall outward collapse mode (D)

图11 边跨倒塌模式(E类)
Fig. 11 Side span collapse mode (E)

图12 中柱倒塌模式(F类)
Fig. 12 Mid column collapse mode (F)
柱侧倾倒塌模式(A类)和柱屈曲倒塌模式(B类)属于边柱倒塌模式,主要发生在仅边柱小范围受火的火灾场景,破坏形态如
整体倒塌模式包括整体向内倒塌模式(C类)和整体向外倒塌模式(D类),主要发生在梁柱大面积受火的火灾场景,破坏形态如
边跨倒塌模式(E类)发生在边柱大范围受火和边跨小范围受火的火灾场景,破坏形态如
中柱倒塌模式(F类)主要发生在中柱小范围受火的火灾场景,破坏形态如
文献[

图13 单跨门式刚架钢结构的倒塌模
Fig. 13 Collapse modes of single span steel portal frame
双跨门式刚架由于中柱的存在,结构的冗余度增加,倒塌机理更加复杂。首先,中柱的存在增加了结构的传力路径,使得刚架允许出现某个柱子受火破坏而其余两柱保持直立的情况,表现为当边柱倒塌时,另一跨仍然保持直立(B倒塌模式),或当中柱倒塌时,边柱保持直立(F类倒塌模式)。其次,中柱的存在增加了刚架的抗侧刚度,当单跨受火破坏时,另一跨有足够的抗侧刚度抵抗受火梁的悬链线效应而不致倒塌(E类倒塌模式)。
由
柱脚刚性与中柱连接形式主要影响边柱倒塌模式(A、B)与整体倒塌模式(C、D),如
防火保护对单榀受火门式刚架钢结构的倒塌模式有一定影响,如
由
建立了火灾下双跨门式刚架钢结构的有限元数值模型,进行了双跨门式刚架钢结构倒塌试验的数值模拟。采用经试验验证的有限元模型进行参数分析,总结了双跨门式刚架钢结构在火灾下可能发生的6种倒塌模式和相应的倒塌机制,得出以下结论:
(1)双跨门式刚架钢结构在火灾下存在6种倒塌模式,即柱侧倾倒塌模式(A类)、柱屈曲倒塌模式(B类)、整体向内倒塌模式(C类)、整体向外倒塌模式(D类)、边跨倒塌模式(E类)和中柱倒塌模式(F类)。
(2)相较于单跨门式刚架钢结构,中柱的存在显著影响了双跨门式刚架钢结构的倒塌机理,提高了结构的冗余度,增强了结构的水平抗侧刚度,使结构的倒塌模式更复杂。除了与单跨刚架相似的A、B、C、D类倒塌模式外,双跨门式刚架钢结构在局部火灾下还可能出现E、F类倒塌模式。
(3)升温工况显著影响双跨门式刚架钢结构的倒塌模式。A类和B类倒塌模式发生在边柱小范围受火的工况,E类倒塌模式发生在边柱大范围受火或边跨小范围受火的工况,F类倒塌模式发生在中柱小范围受火的工况,C类和D类倒塌模式发生在边跨或中柱大范围受火的工况。
(4)防火保护显著影响双跨门式刚架钢结构的倒塌模式,当结构有防火保护时,梁和次要构件的耐火时间相对缩短,柱的耐火时间相对提高,局部倒塌模式F不容易发生。横截面温度梯度的存在对结构的倒塌模式没有明显影响。
(5)柱脚刚性与中柱柱顶连接形式主要影响边柱倒塌模式(A、B)和整体倒塌模式(C、D),柱脚铰接且中柱为摇摆柱时,抗侧刚度较低,结构更容易发生A类和D类倒塌。
(6)荷载比主要影响边柱倒塌模式(A、B),当荷载比增大时,结构侧倾产生的二阶效应增强,结构更容易发生A类倒塌。
(7)刚架跨度和柱距主要影响整体倒塌模式(C、D),跨度增大时悬链线效应增强,结构更容易发生C类倒塌,柱距增大时侧向约束减弱,结构更容易发生D类倒塌。
作者贡献声明
李国强:论文的选题、指导、修改。
吉 蔚:具体研究工作的开展和论文撰写。
楼国彪:论文的指导、修改。
蒋首超:论文的指导、修改。
朱邵骏:论文的指导、修改。
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