局部火灾下钢框架结构的非线性有限元分析.pdf

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1、浙江建筑，第29卷，第4期，2012年4月ZhejiangConstruction，Vo1．29，No．4，Apr．2012局部火灾下钢框架结构的非线性有限元分析NonlinearFEMAnalysisofSteelFrameStructureunderLocalFireDisaster赵滇生，厉峰ZHAODian—sheng，L1Feng(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014)摘要：利用ANSYS软件的热一结构耦合模块，建立了局部火灾下平面钢框架的传热模型与在外力荷载及温度荷载共同作用下的受力模型。研究火灾下结构的薄弱环节，得到结构的耐火时间和l临界温

2、度，并得出了各个时刻结构的温度场和变形，通过不同国家及组织所采用的标准火灾升温曲线，分析各种火灾曲线下整体结构的抗火响应，并做出比较，从而更加真实地反映出结构的抗火性能。关键词：钢框架；局部火灾；热一结构耦合计算；标准火灾升温曲线；抗火性能中图分类号：TU39I文献标志码：A文章编号：1008—3707(2012)04—0024—05钢结构因其良好的综合特性，被广泛运用于现1．1．1导热系数导热系数是指在单位温度梯度代建筑结构中，钢材虽本身不会燃烧，但是在高温下下，单位时间内单位面积上所传递的热量。本文采钢材的性质会发生很大变化，温度为400℃时，屈服用欧洲EC3

3、提出的随温度变化的导热系数⋯，单位强度将降至室温的一半；温度达到600℃时，屈服强W／(1TI·oC)。度和弹性模量降至室温下的1／5，此时已基本丧失1．1．2比热通常建筑钢材的比热是随温度的上升承载能力。而火灾中，建筑物室内的温度在半小时而升高的，但是当温度达到750℃左右时钢材的晶格内可达到800～1200℃。基于试验的分析方法费结构将发生变化，比热系数也会发生较大的变化，故用昂贵，并且构件模型和子结构模型很难模拟构件采用比热为常数时与实际情况相差比较大。本文计在整体结构中的荷载分布和大小、端部约束等情况。算采用欧洲EC3提出的比热值⋯，单位J／(kg·℃)。

4、为此，笔者使用ANSYS大型有限元分析软件，考虑1．1．3初始弹性模量钢材的弹性模量是应力与结构的几何非线性和材料非线性，对火灾下的钢框应变的比率，它是度量钢材抵抗变形的能力。在给架结构进行了热一结构的耦合分析，以期得到结构定应力的条件下，钢材的弹性模量越大，变形就越的温度并了解其变形情况。小。本文计算中采用欧洲ECCS中的模量折减系数。1高温下钢材的热力学性能及其极限状态1．1．4结构钢的等效屈服强度在高温条件下，钢1．1高温下钢材的热力学性能材的屈服现象比较复杂，本文计算中参照欧洲EC3各种钢材在高温下的热物理性能略有不同，高提出的高温下钢材的等效强度降低系数

5、组的温下钢材的热物理性能主要用于钢结构(构件)内取值⋯。温度场的计算，具体包括高温下钢材的热膨胀系数、1．1．5其他材料参数的定义高温下结构钢的泊松比比热、导热系数和密度等参数。一般比较稳定，受温度的影响小，可取与常温下相同收稿日期：201l一03～20作者简介：赵滇生(1957一)，男，浙江义乌人，副教授，研究方向为钢结构和空间结构。第4期赵滇生等：局部火灾下钢框架结构的非线性有限元分析25=0．3；国内在进行钢结构抗火分析时，钢的热膨胀系线温度时间关系见表1。数一般取常数ot=1．4×10m／(m·℃)；钢材的密度为P=7850kg／m。常温下的屈服应力为=2

6、75N／表1升温曲线温度时间关系mm，常温下的杨氏模量为E：2．1×10N／mm。时间／s温度值／℃1．2火灾下钢结构的极限状态根据《建筑结构设计统一标准(GBJ68—84)》关于极限状态的定义，结构的抗火极限状态可定义为：结构在火灾下达到最大承载能力或不适宜继续承载的变形。在计算机程序上，可按下列条件判别：(1)结构总体刚度矩阵主对角元素小于或等于零：(2)结构任一特征变形的增量改变符号；(3)结构的特征变形超过特征尺寸的1／30。判别条件(1)、(2)是结构达到最大承载力的数学准则，而判别条件(3)是结构达到不适宜继续承载的变形的一般规定。2．2受火形式本文在

7、火灾下结构O整体承O载力O埽极0限O如状态O的O判别O诣OO∞假定梁和柱的构造形式见图2，即柱的腹板与标准取为：砖墙相连，仅有朝火面的翼缘受到热作用，整体柱截(1)结构丧失整体稳定；面为单面受火；梁上部覆盖混凝土楼板，除上翼缘上(2)结构的整体变形已不适宜继续承载。要求表面以外的所有表面均受到热作用，整体受火区域结构的特征变形≤，对于整体变形，6<。其为三面受火。热量以对流和辐射的形式从热空气传递到结构表面，又以传导的形式在结构内部传播。中为水平侧移值，h为层高，6为梁跨中挠度值。2钢框架抗火的有限元建模计算)952如46"3∞6528本文所取算例模型是一个2层3

8、跨的平面钢