钢结构火灾下热结构耦合分析研究

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1、王健民等：钢结构火灾下热一结构耦合分析研究53钢结构火灾下热一结构耦合分析研究王健民，张宏伟(1．黑龙江省消防总队，哈尔滨150090；2．中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司。哈尔滨150080)【摘要】通过模拟火灾条件下钢结构的温度响应，显示出不同时刻构件截面的温度分布云图以及截面特定节点温度随时间的变化曲线。根据进行不同受火方式下构件截面的温度场分析，得出三面受火和四面受火条件下构件截面的温度分布有很大区别，但是在腹板相对翼缘薄的情况下，腹板的温度总是最高的，而翼缘温度相对较低。文中对真实火灾作用下结构体系极限状态的研究及常规设

2、计具有重要的意义。【关键词】钢结构；耦合分析；火灾【中图分类号】TU391【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2010)12—0053—03钢结构与其它结构形式相比，具有强度高、质量态的，还需输入热梯度最大时的时间点或荷载步。轻、空间大、抗震性能好等明显的优点，因此被广泛应(5)设置参考温度，进行求解和后处理。用于工业厂房、高层建筑中。可是，钢结构不耐火，在1．2钢结构火灾下热一结构耦合分析实例模型火灾下，钢材的强度、弹性模量等力学性能会急剧下本文分析问题为一工字型钢梁，梁长5．5m，左右降，从而导致钢结构发生严重的破坏。比如：

3、温度为端固定，受均布荷载25．4kN／m。400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，梁为标准工字梁，其截面尺寸如表1所示。温度达到600℃时，钢材基本丧失了强度和刚度。所表1工字梁截面尺寸m以对钢结构防火、抗火问题进行研究具有十分重要的意义。1热一结构耦合问题分析热一结构耦合问题是钢结构火灾分析中通常遇假定该梁所在空间温度按标准火模型上升，分别到的一类耦合问题。它是指在火灾分析中综合考虑热和结构两种工程学科的交叉作用和相互影响。这是因考虑三面和四面受火。分析结构温度场分布、结构变为在火灾情况下，结构温度场的分布会引起结构的热形和极限

4、温度。应力，而且结构部件在高温环境下中工作时，材料受到由于考虑梁是三面或四面受火，所以三面受火时温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分定义梁的下翼缘下表面、梁左侧，梁右侧；四面受火时析时需要考虑的问题。为此，需要先进行相应的热分定义上翼缘上表面、下翼缘下表面、梁左侧、梁右侧。析，然后将热分析结果施加到结构上再进行结构分析。并定义时间参数，用DELTIM命令定义初始时间步长，1．1热一结构耦合分析的步骤用AUTOTS命令打开自动时间步长控制。(1)进行热分析：热分析在选择单元类型之后，定义标准火升温曲线函数：建立起热～结构分析模型，并

5、划分网格，另外钢结构在T=20+3451ogl0(8t+1)火灾条件下，其大部分物理特性和力学性能都有所变式中，为温度，t为时间。最后对受热边界施加化，比如钢导热系数随着温度的升高而减小；弹性模量对流作用，定义热辐射场，求解。会随温度递增而降低等等，所以要注意热分析随温度2建立分析模型、定义材料热学性能参数变化的材料特征的变化。最后施加边界条件包括空气2．1建立分析模型对流和火焰辐射并求解。几何建模可以直接在ANSYS中建立，也可以直接(2)将热单元转换为相应的结构单元：ANSYS在CAD软件中读人，本文采用直接模拟形式，逐个地中不同的分析

6、类型对应不同的分析单元，在热分析完建立点、线、面和体，并对已生成的单元体进行复制，最成准备进行结构分析时，应将热单元转换为相应的结终形成工字梁分析模型，如图1所示。此外，为了更好构单元。需要重新进入前处理，再进行结构单元转换。地模拟热传递的过程，这里采用SOLID70单元进行划(3)设置结构分析，包括热膨胀系数的材料属分，SOLID70是三维热实体单元，它具有8个节点，每性及前处理细节，如节点耦合和约束方程等。个节点只具有单一的温度自由度，适用于三维稳态或(4)读入热分析的节点温度。如果热分析是瞬瞬态传热分析。54低温建筑技术2010年第1

7、2期(总第150期)在标准火的作用下，在791．96s之前，四面受火梁的跨中上翼缘节点位移呈略大于三面受火梁的形势，其位移随时间的变化趋势也与三面受火梁的几乎一致。可就在791．96s时，其位移曲线突然有了一个几乎垂直于时间轴的降低，即由一0．13m突然降低到了一{一0．224m。此时梁的温度，腹板在686℃左右，下翼缘在652％左右，则此时的温度(670℃左右)就是三面受图l用SOLID70划分的工字梁模型火钢梁的极限温度，791．96s就是耐火时间，而对应的2．2定义材料热学性能参数l，方向位移(0．13m)即为受火钢梁的极限位移。通过

8、图4与图5，我们也可以看出极限温度时梁跨中上下定义材料热学性能参数，包括钢材的导热性、比热翼缘节点的l，方向的位移变化也是不同的，即当上翼和密度。我们采用EUROCODE3规范所