摘  要：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是大空間建筑的一種重要結(jié)構(gòu)形式，對其進行火災(zāi)下的受力性能分析是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計必不可少的一部分。本文以某重大工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為研究對象，以FDS模擬得到的溫度場為實際受火過程，運用ANSYS有限元軟件對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了火災(zāi)全過程分析，得到了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的整體變形及受力性能。分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果基本吻合，驗證了模型分析的準確性。本文結(jié)論對火災(zāi)受損后結(jié)構(gòu)的修復與加固提供了一定參考。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，溫度場，升降溫，受力特性

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是大跨大空間結(jié)構(gòu)的一種形式，具有節(jié)約鋼材，整體性好，制作安裝快捷，造型優(yōu)美等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種公共建筑中。由于鋼材耐火性能差，大跨公共建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，將可能造成重大人身和財產(chǎn)損失，因此對大空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行抗火性能研究是大空間建筑抗火設(shè)計必不可少的一部分。 目前國內(nèi)外對網(wǎng)架的研究主要集中在結(jié)構(gòu)靜力與動力性能上，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗火性能的研究還處于初步階段。杜詠[1]過對受支座約束的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在非均勻溫度場中的力學反應(yīng)進行了分析，得出了支座約束剛度、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗剪剛度等因素對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)臨界溫度的影響規(guī)律，提出了考慮支座約束影響的正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)臨界溫度的計算方法。邱林波[2]采用ABAQUS對火災(zāi)下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學性能進行了研究，分析了不同火源模型和不同結(jié)構(gòu)參

數(shù)對火災(zāi)下結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的影響，提出火災(zāi)下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的判定標準。鄒文平[3]建立了考慮升降溫火災(zāi)全過程及火災(zāi)后網(wǎng)架力學性能分析的有限元模型，對火災(zāi)全過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變形，內(nèi)力重分布及火災(zāi)后承載力進行了研究。白音[4]等對高溫下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了非線性分析，并提出了采用修正的擬夾層板法估算網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的最大位移。

以前的研究均為基于假設(shè)溫度場下的網(wǎng)架抗火性能研究，其結(jié)果的正確性需進一步驗證。本文以某重大工程為研究背景，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場情況，結(jié)合FDS模擬得到的結(jié)構(gòu)溫度場分布，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行火災(zāi)全過程非線性有限元分析，得到了升降溫過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體受力及變形特性。有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果相吻合，表明本文建立的火災(zāi)全過程有限元模性的正確性。分析結(jié)果為災(zāi)后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的修復與加固提供一定的參考。

1. 網(wǎng)架有限元模型

1.1 網(wǎng)架幾何模型

某工程網(wǎng)架，平面長91.55m，寬78.925m，為雙層正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格平面尺寸3.6m 3.6m，網(wǎng)格厚度為2.62m，桿件截面為圓形鋼管，共有121mm 5mm、140mm 6mm、180mm 6mm、203mm 6mm等16種規(guī)格。

本文采用ANSYS軟件建立網(wǎng)架有限元計算模型，網(wǎng)架桿件單元采用BEAM18進行劃分，網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)架有限元模型見圖1。

 

1.2 荷載情況

施加在網(wǎng)架上的荷載按照火災(zāi)發(fā)生時的實際情況選取定?；馂?zāi)發(fā)生時，作用在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的實際荷載有構(gòu)件自重，網(wǎng)架上下覆蓋的金屬自重，網(wǎng)架上懸掛的豎向玻璃幕墻荷載，網(wǎng)架上懸掛的燈具自重，樓梯荷載，天溝荷載以及暖通靜壓箱荷載等；結(jié)構(gòu)分析時不考慮活荷載的作用。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元模型及荷載分布情況見圖1。

1.3 網(wǎng)架支座情況

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中支座分兩種類型：固定鉸支座與滑動鉸支座。固定鉸支座約束三向位移，允許空間自由轉(zhuǎn)動，最大允許轉(zhuǎn)角為0.02rad。滑動支座只約束豎向位移，允許在水平面內(nèi)雙向自由滑動，允許空間自由轉(zhuǎn)動，最大允許轉(zhuǎn)角為0.025rad；支座設(shè)雙向限位裝置，滑動后的承載力重心與球型轉(zhuǎn)動面中心對齊。

根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中各滑動支座的情況，結(jié)合GB/T 17955-2000《球型支座技術(shù)條件》[5]相應(yīng)規(guī)定，在ANSYS中采用彈簧單元combin39來建立滑動支座模型，通過設(shè)定相應(yīng)的荷載位移曲線來模擬滑動支座在平面內(nèi)自由滑動的特性。

2 高溫下鋼材特性

2.1 高溫下鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

網(wǎng)架構(gòu)件所用鋼材型號為Q345B，常溫下鋼材的屈服強度標準值取，鋼材的極限強度標準值為，鋼材的初始彈性模量為。ANSYS分析中鋼材采用多線性隨動強化模型，高溫下和高溫后的鋼材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系按歐洲規(guī)范EC3:Part 1.2^［6］的約定選取，高溫下鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖2。

 

2.2 高溫下鋼材的物理特性

高溫下鋼材的物理特性根據(jù)CECS 200:2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》［7］相關(guān)規(guī)定選取。鋼材的熱膨脹系數(shù)取，鋼材密度為7850 ，泊松比為0.3。

3 網(wǎng)架溫度場分布

作用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的溫度場通過火災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查并利用FDS軟件模擬得到。根據(jù)網(wǎng)架構(gòu)件防火涂層的特性（防火涂層的導熱系數(shù)，厚度為4mm，密度及《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范規(guī)范》（CECS 200:2006）的相關(guān)規(guī)定，計算得到網(wǎng)架節(jié)點溫度，通過APDL二次開發(fā)程序，將溫度以體荷載的形式施加在網(wǎng)架的各個節(jié)點。火災(zāi)升溫過程中網(wǎng)架節(jié)點溫度分布情況見圖3。

 

火災(zāi)過程中，溫度場在網(wǎng)架中的分布呈現(xiàn)不均勻性，火災(zāi)主要集中在網(wǎng)架的中部、南側(cè)和東側(cè)，網(wǎng)架西側(cè)基本沒有受到火災(zāi)的影響。網(wǎng)架東南側(cè)構(gòu)件在t=491s時達到最高506 ，東北側(cè)構(gòu)件在t=4620s時達到551 。

4分析結(jié)果

4.1 網(wǎng)架變形

在室溫（20oC）狀態(tài)下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在重力荷載作用下，最大及最小豎向位移（z向）發(fā)生在掛有玻璃幕墻的南側(cè)邊緣構(gòu)件。最小位移為-41.7mm，最大位移為16.9mm（圖4（a））。隨著溫度的增加及溫度分布的變化，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最小豎向位移向著荷載及溫度較大的中心部位移動，最小豎向位移發(fā)生在網(wǎng)架上懸掛馬道部位，在t=491s時，馬道部位的最小位移為-83.13mm，最大位移依然位于懸掛玻璃幕墻的南側(cè)邊緣，為85.923mm。

    

4.2 網(wǎng)架應(yīng)力

室溫（20oC）狀態(tài)下，在重力荷載作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的桿件均沒有屈服，最大拉應(yīng)力為，位于荷載較大的馬道部位。隨著溫度的升高，鋼材屈服強度降低，溫度荷載較大的區(qū)域中桿件發(fā)生屈服，t=300s時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性應(yīng)變，桿件發(fā)生屈服，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?/span>0.305 。隨著溫度場分布的不斷變化，t=917s時，最大塑性應(yīng)變發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東南側(cè)構(gòu)件中，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?/span>0.0296。t=1343s時，最大塑性應(yīng)變發(fā)生在網(wǎng)架東北側(cè)的構(gòu)件中，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?/span>0.0031。在整個火災(zāi)過程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?/span>0.0075，發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東北側(cè)。

5 分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果對比

火災(zāi)后現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示，位于東側(cè)的1、2、3號滑動支座火損較為嚴重，網(wǎng)架與支座脫開。從ANSYS分析結(jié)果可知，1、2、3號支座分別在t=491s、t=426s、t=360s時，在x方向的位置偏差超過了支座允許偏差量，從而使得支座發(fā)生破壞；整個火災(zāi)過程中，三個滑動支座Y向位置偏差均在允許范圍內(nèi)，沒有發(fā)生Y方向的破壞。1、2、3號滑動支座分析結(jié)果見表1。

檢測結(jié)果顯示，網(wǎng)架東側(cè)受火災(zāi)影響較為嚴重，位于網(wǎng)架東側(cè)的部分桿件軸線彎曲偏差超過《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205-2001）[4]的允許值。圖5顯示了ANSYS分析的到的網(wǎng)架東側(cè)下弦桿件在溫度荷載作用下的變形圖，可以看出ANSYS分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果具有相似的規(guī)律性。

    

   

6 結(jié) 論

本文根據(jù)工程實際情況，建立了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型，并對網(wǎng)架在升降溫過程中的變形及應(yīng)力分布進行了研究，得到如下結(jié)論：

1） 溫度場的分布情況對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)變有較為明顯的影響。從本文的分析結(jié)果來看，隨著溫度場分布的變化，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最小豎向位移向溫度大、荷載大的部位移動；結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變也隨著溫度場的變化而變化。

2） 由于溫度荷載主要集中在網(wǎng)架的東側(cè)，在溫度荷載作用下，東側(cè)網(wǎng)架桿件變形較大，導致東側(cè)網(wǎng)架邊緣的三個滑動支座X方向的位移偏差量超過允許值，發(fā)生破壞。

3）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)火災(zāi)全過程有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果基本一致，表明本文建立的有限元模型具有一定的正確性。

4）本文分析方法為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的受力變形性能分析提供可行的方法，為火災(zāi)后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的修復與加固給出一定的參考。

參考文獻

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[3] 鄒文平.火災(zāi)升降溫及災(zāi)后全過程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)力學性能分析[J]. 昆明理工大學學報(理工版),2010,35(6):38~43.

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 （北京建筑工程學院 土木與交通工程學院，北京 10044）