局部高温下钢框架性能化分析

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1、局部高温下钢框架性能化分析：讨论了一种新的高温分析方法，即将性能化设计与结构有限元分析相结合，这样既可以得出较为直观的火灾后分析参数，又可以得到结构在火灾发生全过程的反应。以钢框架结构为分析模型，进行了如下的一些研究与分析。通过本文的分析，笔者建议将性能化设计与有限元分析相结合，利用性能化分析温度场，再用有限元程序计算构件温度场及温度应力与变形，这样可以得到更加符合实际的结论。　　关键词：局部高温性能化有限元钢框架　　　　1.概述　　当火灾发生后，结构内力分布与常温下是有很大区别的，这主要是由于以下两个方面的原因造成的：　　（1）温度上升，构件刚度下降，造成结构内

2、力重分布。　　（2）温度上升，构件产生热膨胀，而构件的热膨胀受到周围其他构件的约束，从而在该构件中产生温度内力。　　鉴于在实际情况中，火灾都是发生在局部区域，因此本文主要研究局部高温下的钢框架结构分析。结构在高温下的内力主要是由两个部分组成，一个是结构所受外荷载产生，另一个是由于构件温度上升，其膨胀变形受到约束而产生的温度内力。　　在局部高温下，由于局部构件的温度升高，导致这些构件刚度下降，进而造成整体结构的刚度与常温下有所差异，因此，使得构件在外荷载作用下的内力与常温下不同。受热构件所承担的外荷载比常温下小，而与其相连的构件将承担比常温下更大的荷载。　　由于结构

3、构件之间的相互作用，超静定结构中构件的变形都要与相邻构件协调，也就受到相邻构件的约束。构件在升温时的温度内力将与构件本身的刚度和它所受的约束大小，还有结构形式以及构件所处的位置有关。计算钢框架局部高温下构件温度内力，可以将结构中高温构件单独分析，将其简化为带弹性杆端约束的杆件进行分析；也可以采用整体结构分析。前者适用于手算，后者适用于计算机计算，本文采用整体结构分析。　　2.构件温度应力有限元分析　　目前，钢框架结构的高温分析多是假定构件截面的温度场分布是均匀的，但实际在火灾发生时，其温度场往往是非线性的不均匀温度场，因此要想比较准确的分析高温下受力，温度场的准确

4、计算很重要。另外，整体结构的抗火承载力与构件的抗火承载力是有很大的差别的，这一点已经通过国内外的一些大型火灾试验得到了证明，因此本文的受力分析以整体结构为研究对象，这样可以得到相对准确的结果。最后，目前在高温分析中多采用国际标准升温曲线，这使得最后的分析结构与实际火灾有一定差异，本文在采用性能化分析软件FDS得到结构真实火灾下温度场，并用此温度来分析结构性能，再与标准升温曲线下的结构分析结果比较，得出二者之间的区别比较。　　2.1模型简介　　本文为计算简便，将计算模型简化为一三层三跨平面框架，柱距为6.6m，层高为3.2m，柱为矩形箱型截面柱，梁为焊接工字梁，材料

5、均为Q235钢，所有柱脚均固结。计算简图与截面尺寸见图1。　　假设火灾只发生在一层一榀框架内，在该框架梁下翼缘施加用传热学原理所得的温度场，分析步与火灾发生实际情况对应设置，分析步长也按照各温度持续时间设定。为了能够准确模拟高温下材料的非线性与温度分布的分线性，模型的所有单元均采用实体单元C3D8R，该单元为八节点六面体实体单元。梁柱接合处使用tie命令将其耦合，使二者变形协调。　　　　图1计算简图与截面尺寸见　　采用ABAQUS分析钢框架温度应力，将温度荷载按照多个分析步依次加载，分析不考虑单元的初始缺陷和参与应力的影响，高温下结构钢的力学性能按照参考资料中所述

6、采用。材料的非线性按照VonMises屈服准则及其相应的流动法则，几何非线性按照大应变，大变形。　　2.2标准升温曲线　　目前，许多做结构抗火设计都是选用标准升温曲线，各国采用的标准升温曲线稍有不同，我国采用的是国际标准组织制定的ISO834标准升温曲线（如图2），其表达式如下：　　　　是指环境温度，一般取20℃，在本文的分析中，由于在FDS中设定环境温度为22℃，所以为了对比，在计算标准升温曲线时，同样将环境温度取为22℃。　　　　　　图2.ISO834标准升温曲线　　2.2钢框架分析　　通过计算可以看出，在高温下，结构的节点是抗火的关键环节，从全过程分析来看，

7、节点处的温度应力最高，本文分别分析了真实火灾升温过程和标准升温过程，两者的结果都表明节点处的温度应力是峰值区域，虽然此处的温度不是最高，两种升温过程的整体结构应力云纹图见图3与图4。　　　　图3模拟火灾下高温框架应力图　　　　图4标准升温下高温框架应力图　　在模拟升温过程中，温度先后两次达到峰值，第一次峰值300℃左右，其应力云图如图9和图11所示，最大应力出现在右节点为372.5Mpa，已经超出Q235钢的屈服极限，由于本文模拟均未考虑防火层，故钢的导热非常迅速，其应力也因此迅速增大，若考虑防火层的隔热作用，应力会较低。第二次温度峰值为175℃，此时的温度应力峰

8、值仍旧出现