火災(zāi)下大跨空間結(jié)構(gòu)的性能分析

火災(zāi)下大跨空間結(jié)構(gòu)的性能分析

隨著建筑造型的多樣性和多功能趨勢，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了空間的優(yōu)勢。但是鋼結(jié)構(gòu)有著自身的致命缺陷:耐火性能差。高溫下鋼材的強(qiáng)度、彈性模量等基本力學(xué)性能指標(biāo)急劇下降。一旦發(fā)生火災(zāi)鋼結(jié)構(gòu)就有可能發(fā)生嚴(yán)重的破壞,甚至有可能在人或物沒有安全撤離現(xiàn)場的時(shí)候,結(jié)構(gòu)發(fā)生整體或者局部倒塌,造成人員的傷亡或財(cái)物的損失。而預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)由于索的存在,對高溫更為敏感。因此對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的性能分析顯得尤為重要。隨著鋼結(jié)構(gòu)致命缺陷的暴露,國內(nèi)外學(xué)者及專家對鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的性能進(jìn)行了研究并得到了一定的成果:平面鋼框架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架、張弦梁、勁柔索穹頂結(jié)構(gòu)等。但是采用的都是室內(nèi)火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(ISO-834)。由于室內(nèi)火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線局限性很大,主要適用于小空間結(jié)構(gòu)。大跨空間結(jié)構(gòu)中不可能在某一時(shí)刻所有單元的溫度都相同,并且升溫速度不會(huì)像小空間那樣迅速,導(dǎo)致大空間結(jié)構(gòu)的性能大不同于小空間結(jié)構(gòu)。因此本文采用大跨空間結(jié)構(gòu)模型和標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線兩種模型對目前世界上跨度最大的弦支穹頂(93m)進(jìn)行火災(zāi)下的性能分析。圖1是2008奧運(yùn)羽毛球館上部單層網(wǎng)殼和下部的各環(huán)向索、徑向索單元。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對稱,選取有代表性的節(jié)點(diǎn)和單元,如圖1所示。1火的模擬分析和火災(zāi)期間組件的力學(xué)特性1.1實(shí)用大空間建筑火災(zāi)空氣升溫經(jīng)驗(yàn)公式目前有多種火災(zāi)升溫模型,代表的有李國強(qiáng)等人提出的實(shí)用大空間建筑火災(zāi)空氣升溫經(jīng)驗(yàn)公式、室內(nèi)火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(ISO-834)等。本文采用大空間空氣升溫模型和標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線兩種模型進(jìn)行比較分析。1.1.1影響空氣升溫的因素李國強(qiáng)等人通過對120例火災(zāi)場景用場模型進(jìn)行模擬,考慮影響大空間建筑火災(zāi)空氣升溫的因素,篩選出給定空間點(diǎn)的溫度值,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸,最終回歸出如下大空間建筑火災(zāi)空氣升溫計(jì)算公式:式中T(x,z,t)——對應(yīng)t時(shí)刻,距火源中心水平距離x,(m)、距地面垂直距離z,(m),的空氣溫度,℃;Tz——從火源中心距地面垂直距離z處的最高空氣升溫,℃;β——由火源功率和按αt2增長型火源確定的升溫曲線形狀系數(shù);η——距火源中心水平距離x的溫度衰減系數(shù)(無量綱);t——時(shí)間,s;b——火源中心點(diǎn)至火源最外邊緣距離,m,當(dāng)x<b時(shí),η=1;μ——系數(shù);Tg(0)——火災(zāi)發(fā)生前的環(huán)境溫度,一般取為20℃。分析發(fā)現(xiàn),影響大空間建筑火災(zāi)空氣升溫的主要因素有:1)火源釋熱率(功率)最大值;2)建筑面積;3)建筑高度;4)距火源距離。具體參考文獻(xiàn)。1.1.2確定標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線為了對受熱構(gòu)件的破壞模式有一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)識以及出于規(guī)范的需要對構(gòu)架的抗火程度進(jìn)行統(tǒng)一分級,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,表達(dá)式如下:Tgas=T0+345.1lg(8t+1)式中:Tgas為氣體溫度,℃;T0為室溫,一般為20℃;t為時(shí)間,min。1.1.3間空氣升溫模型標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線模型只適用于較小空間的結(jié)構(gòu),且各構(gòu)件升溫過程是一致的。大空間空氣升溫模型是經(jīng)過對真實(shí)火災(zāi)場景進(jìn)行模擬,最終回歸出的計(jì)算公式。其考慮了火源釋熱率(功率)最大值、建筑面積、建筑高度、距火源距離等因素的影響,較真實(shí)地模擬大空間受火災(zāi)各構(gòu)件的升溫過程。其差異可以從圖2和圖3看出。1.2溫度對索、鋼和預(yù)應(yīng)力作用的影響火災(zāi)下鋼材的熱物理性能如:熱膨脹系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、泊松比等參數(shù)基本上隨溫度的升高變化不大。但是鋼材的熱力學(xué)性能隨溫度的變化有很大的變化,當(dāng)然索的熱力學(xué)性能也隨溫度的升高而變化,主要體現(xiàn)在彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上。高溫下索的彈性模量:ET/E0=0.9093+4.4937×10-4Ts-2.4893×10-6T2s高溫下鋼材的彈性模量:ETs/Es=-17.2×10-12T4s+11.8×10-9T3s-34.5×10-7T2s+15.9×10-5Ts+1式中:ET為索在溫度Ts時(shí)的彈性模量;E0為索在室溫下的彈性模量;ETs為鋼材在溫度Ts時(shí)的彈性模量;Es為鋼材在室溫下的彈性模量?；馂?zāi)下鋼材很容易達(dá)到塑性狀態(tài),本文中采用三折線模型。如圖4。2模型和分析方法的計(jì)算2.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及火災(zāi)場景以2008年奧運(yùn)會(huì)羽毛球館主體屋蓋為計(jì)算模型,屋蓋最大跨度93m,矢高9.3m,矢跨比1/10。其結(jié)構(gòu)形式為下部鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),上部采用凱維特-聯(lián)方型弦支穹頂結(jié)構(gòu)。鋼管彈性模量為2.06×1011Pa,索的彈性模量為1.9×1011Pa。網(wǎng)殼各節(jié)點(diǎn)剛接,支撐條件為周邊鉸支支撐,結(jié)構(gòu)承受均布節(jié)點(diǎn)荷載,恒載為0.85kN/m2,活載為0.5kN/m2?；馂?zāi)場景:火源發(fā)生在場館的中央位置,為一個(gè)10×10的正方形區(qū)域。地面面積A取為6000m2,空間高度Z取為20m且分為20,19,18,17m四個(gè)高度范圍?；鹪捶€(wěn)定功率25MW,屬于快速增長型。2.2增量平衡方程采用ANSYS程序單元庫中的Beam188、Link8和Link10單元分別模擬梁、桿和索。根據(jù)U.L.(修正的拉格朗日)空間描述法和虛功原理,建立結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的增量平衡方程,增量平衡方程簡記為:[K]{△u}=Δλ{(lán)f}式中:[K]為U.L列式的結(jié)構(gòu)切線剛度矩陣;{△u}為位移增量向量;Δλ為荷載增量參數(shù);{f}為荷載參考向量?；炯俣?1)研究結(jié)構(gòu)的被動(dòng)抗火能力,鋼構(gòu)件無耐火被覆;2)構(gòu)件的溫度沿截面的桿件長度方向均勻分布;3)高溫下鋼材的熱膨脹系數(shù)為常數(shù)1.4×10-5。結(jié)構(gòu)倒塌的判別標(biāo)準(zhǔn):結(jié)構(gòu)喪失承載能力或發(fā)生失穩(wěn)破壞(結(jié)構(gòu)總剛主對角線元素小于或等于零)。結(jié)構(gòu)抗火全過程響應(yīng)分析過程如圖5。每次迭代計(jì)算時(shí),用修正后的彈性模量來代替原來的彈性模量,應(yīng)用Newton-Raphson(牛頓-拉夫遜)方法求解非線性方程。3分析模型簡介為了清楚表達(dá)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的性能分析,本文以圖1為分析模型(采用整體火災(zāi)情況下),采用兩種不同的模型對有代表性節(jié)點(diǎn)位移以及各撐桿和徑、環(huán)向索的內(nèi)力進(jìn)行比較。通過比較分析得到較真實(shí)的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理。3.1結(jié)構(gòu)位移開始下降由圖6、圖7可知,各節(jié)點(diǎn)位移在兩種模型下變化過程有很大的區(qū)別,可得出如下結(jié)論:1)大空間模型下,各節(jié)點(diǎn)位移大部分隨時(shí)間的增大按正方向增大,并且在90min時(shí)也沒有坍塌的跡象。原因:火災(zāi)下熱膨脹引起構(gòu)件伸長且由于環(huán)索和混凝土的套箍作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向上起拱;熱膨脹引起的反應(yīng)大于火災(zāi)下力學(xué)特性減小引起的反應(yīng)。2)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下,節(jié)點(diǎn)位移基本上都是先隨時(shí)間的增長按正方向增大,隨后在14min左右各節(jié)點(diǎn)位移開始下降,直到22min時(shí),結(jié)構(gòu)位移出現(xiàn)大幅度的下降,也就是整個(gè)結(jié)構(gòu)基本上已經(jīng)坍塌破壞。原因:該升溫模型升溫速率極快,熱膨脹引起構(gòu)件的伸長和混凝土柱子及環(huán)向索的套箍作用導(dǎo)致位移上升。在14min左右,結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性在火災(zāi)下發(fā)生了質(zhì)的變化,熱膨脹引起的反應(yīng)小于火災(zāi)下力學(xué)特性減小引起的反應(yīng),致使結(jié)構(gòu)位移開始下降。3)兩種模型之所以對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)產(chǎn)生如此大的差異,主要是因?yàn)閮煞N模型不同的計(jì)算方法。標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線在某時(shí)刻各單元溫度一致,并且在20多分鐘就能達(dá)到500℃(該溫度已經(jīng)使構(gòu)件的力學(xué)特性產(chǎn)生了非常大的變化),而大空間升溫模型是與火源釋熱率(功率)最大值、建筑面積、建筑高度、距火源距離等多種因素有關(guān),在90min最高溫度才達(dá)到400℃左右,這是最本質(zhì)的區(qū)別。圖8、圖9是整體結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的位移形狀(橫坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)就是對應(yīng)的圖1各節(jié)點(diǎn))。大空間升溫模型下結(jié)構(gòu)大體上呈凸形,而在14節(jié)點(diǎn)(實(shí)際結(jié)構(gòu)的190節(jié)點(diǎn))也就是第一環(huán)索附近,各單元出現(xiàn)下降的趨勢直到最外邊單元,就是說該結(jié)構(gòu)破壞首先發(fā)生在混凝土柱子和第一環(huán)索的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下結(jié)構(gòu)開始處于膨脹狀態(tài),隨時(shí)間增長,結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)下降趨勢直到22min左右結(jié)構(gòu)整體坍塌,但是結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)破壞也是在混凝土柱子和第一環(huán)索之間的區(qū)域,具體一點(diǎn)就是在最外邊單元。3.2環(huán)索的內(nèi)力分析該結(jié)構(gòu)撐桿采用的Link8單元(可拉可壓,可以考慮蠕變),環(huán)向索和徑向索采用的是Link10(可拉不可壓,不可以考慮蠕變)。圖10、圖11為兩種模型下考慮撐桿蠕變和不考慮撐桿蠕變時(shí)的環(huán)向索在火災(zāi)下的預(yù)應(yīng)力損失。表1為撐桿內(nèi)力隨時(shí)間的變化過程。第三、四圈索預(yù)應(yīng)力變化隨時(shí)間的變化過程同第二圈索,故不再贅述。由圖10、圖11可得出,在兩種模型下第一環(huán)索的內(nèi)力變化有很大的差異。1)大空間模型下,預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的增長一直增大,且蠕變的影響較大。原因:參照位移變形圖8,第一環(huán)索附近位移隨時(shí)間變化是向下的,致使索力增大。第一環(huán)索附近溫度較低,熱膨脹引起的應(yīng)力損失較小。但是結(jié)構(gòu)其他部分溫度高得多,引起的結(jié)構(gòu)變形對第一環(huán)索內(nèi)力變化有很大的影響。由于弦支穹頂結(jié)構(gòu)的本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及四周的混凝土柱子,致使上部產(chǎn)生的應(yīng)力及變形無處釋放,就導(dǎo)致混凝土柱子附近的第一環(huán)索內(nèi)力增加。2)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下,其內(nèi)力變化過程較容易理解,先增大后減小。這也是內(nèi)力增大的原因。隨時(shí)間的增長,溫度升高的非?？?熱膨脹引起的預(yù)應(yīng)力損失較明顯,結(jié)構(gòu)內(nèi)力開始出現(xiàn)下降的趨勢。上部結(jié)構(gòu)的位移出現(xiàn)大面積的下降,也促使其下降趨勢劇增,直到結(jié)構(gòu)坍塌破壞。由圖10、圖11可得到其余各環(huán)索內(nèi)力均隨時(shí)間的增長逐漸減小。原因:參考位移變形圖8、圖9,高溫下熱膨脹應(yīng)變引起的應(yīng)力損失。蠕變的影響與預(yù)應(yīng)力初值、構(gòu)件的溫度、時(shí)間等有必要的聯(lián)系。主要是受預(yù)應(yīng)力初值的影響最明顯,并且本論文考慮的撐桿的蠕變與索是間接的關(guān)系,所以對索力預(yù)應(yīng)力損失影響不大。因?yàn)榈谝?、二環(huán)索預(yù)應(yīng)力較其余環(huán)索大很多,所以蠕變對第一、二環(huán)索的預(yù)應(yīng)力損失較明顯,其余較不明顯。3.3環(huán)境因素對徑向索內(nèi)力的影響表1-表4為兩種模型下,各徑向索,撐桿單元內(nèi)力。因?yàn)槿渥冇绊戄^小,撐桿及徑向索內(nèi)力均是在沒有考慮蠕變情況下所得。由表1-表4可得出,兩種模型下?lián)螚U及徑向索內(nèi)力隨時(shí)間的變化情況,其原因同上邊環(huán)向索內(nèi)力的原因。值得說明的一點(diǎn)是,標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下構(gòu)件內(nèi)力沒有減小為0,主要是結(jié)構(gòu)坍塌破壞引起的結(jié)構(gòu)變形引起的。3.4結(jié)構(gòu)的影響火災(zāi)下,隨溫度的逐漸升高,熱膨脹應(yīng)變逐漸增大,蠕變也有所增加,不過對于結(jié)構(gòu)影響較小。從本文的計(jì)算結(jié)果也可以看出,隨著熱膨脹應(yīng)變和蠕變的增加,在總應(yīng)變不變的情況下,應(yīng)力應(yīng)變減小,直至減小為0。該過程在本文的計(jì)算中也得到體現(xiàn),由于篇幅有限,現(xiàn)不列出。4大空間空氣升溫模型1)鑒于傳統(tǒng)火災(zāi)設(shè)計(jì)模型ISO-標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的統(tǒng)一和廣泛性,本文采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線模型對大跨空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,得到結(jié)構(gòu)在22min左右坍塌破壞。其過程為位移先上升,在14min左右構(gòu)件位移開始下降,22min時(shí)位移出現(xiàn)大幅度下降,其中第一環(huán)索至混凝土柱子之間區(qū)域首先破壞,最后整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。索力隨溫度的變化過程為:第一環(huán)索力先上升后突然下降,其余各環(huán)索力均隨溫度的升高逐漸下降,直到結(jié)構(gòu)破壞。2)基于大跨空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)本文也采用了大空間空氣升溫模型進(jìn)行了分析。在90min內(nèi)結(jié)構(gòu)的位移在大部分都處于上升趨勢(第一環(huán)索附近除外),整體結(jié)構(gòu)呈“凸”狀。第一環(huán)索至混凝土柱子之間的區(qū)域仍然是危險(xiǎn)區(qū)域,該區(qū)域個(gè)別構(gòu)件的位移出現(xiàn)大幅度的下降,只是不影響整體結(jié)構(gòu)。索力隨溫度的變化過程:第一環(huán)索力隨溫度的升高逐漸升高,但曲率減緩,其余各環(huán)索力均隨溫度的升高逐漸下降。本文之所以考慮到90min,是因?yàn)榘l(fā)生火災(zāi)時(shí),1h之內(nèi)是搶救的最有利時(shí)間,超過1h結(jié)構(gòu)仍沒有破壞,證明該結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備很高。3)兩種模型的最根本區(qū)別為:標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線在特定時(shí)刻各單元溫度一致,且升溫速率極快,在短短20min內(nèi)就能達(dá)到5