火灾下大跨空间结构的性能分析

火灾下大跨空间结构的性能分析

随着建筑造型的多样性和多功能趋势，钢筋混凝土结构充分发挥了空间的优势。但是钢结构有着自身的致命缺陷:耐火性能差。高温下钢材的强度、弹性模量等基本力学性能指标急剧下降。一旦发生火灾钢结构就有可能发生严重的破坏,甚至有可能在人或物没有安全撤离现场的时候,结构发生整体或者局部倒塌,造成人员的伤亡或财物的损失。而预应力钢结构由于索的存在,对高温更为敏感。因此对预应力钢结构火灾下的性能分析显得尤为重要。随着钢结构致命缺陷的暴露,国内外学者及专家对钢结构火灾下的性能进行了研究并得到了一定的成果:平面钢框架结构、预应力网架、张弦梁、劲柔索穹顶结构等。但是采用的都是室内火灾标准升温曲线(ISO-834)。由于室内火灾标准升温曲线局限性很大,主要适用于小空间结构。大跨空间结构中不可能在某一时刻所有单元的温度都相同,并且升温速度不会像小空间那样迅速,导致大空间结构的性能大不同于小空间结构。因此本文采用大跨空间结构模型和标准升温曲线两种模型对目前世界上跨度最大的弦支穹顶(93m)进行火灾下的性能分析。图1是2008奥运羽毛球馆上部单层网壳和下部的各环向索、径向索单元。因为结构对称,选取有代表性的节点和单元,如图1所示。1火的模拟分析和火灾期间组件的力学特性1.1实用大空间建筑火灾空气升温经验公式目前有多种火灾升温模型,代表的有李国强等人提出的实用大空间建筑火灾空气升温经验公式、室内火灾标准升温曲线(ISO-834)等。本文采用大空间空气升温模型和标准升温曲线两种模型进行比较分析。1.1.1影响空气升温的因素李国强等人通过对120例火灾场景用场模型进行模拟,考虑影响大空间建筑火灾空气升温的因素,筛选出给定空间点的温度值,进行统计回归,最终回归出如下大空间建筑火灾空气升温计算公式:式中T(x,z,t)——对应t时刻,距火源中心水平距离x,(m)、距地面垂直距离z,(m),的空气温度,℃;Tz——从火源中心距地面垂直距离z处的最高空气升温,℃;β——由火源功率和按αt2增长型火源确定的升温曲线形状系数;η——距火源中心水平距离x的温度衰减系数(无量纲);t——时间,s;b——火源中心点至火源最外边缘距离,m,当x<b时,η=1;μ——系数;Tg(0)——火灾发生前的环境温度,一般取为20℃。分析发现,影响大空间建筑火灾空气升温的主要因素有:1)火源释热率(功率)最大值;2)建筑面积;3)建筑高度;4)距火源距离。具体参考文献。1.1.2确定标准升温曲线为了对受热构件的破坏模式有一个统一认识以及出于规范的需要对构架的抗火程度进行统一分级,国际标准化组织(ISO)制定了ISO-834标准升温曲线,表达式如下:Tgas=T0+345.1lg(8t+1)式中:Tgas为气体温度,℃;T0为室温,一般为20℃;t为时间,min。1.1.3间空气升温模型标准升温曲线模型只适用于较小空间的结构,且各构件升温过程是一致的。大空间空气升温模型是经过对真实火灾场景进行模拟,最终回归出的计算公式。其考虑了火源释热率(功率)最大值、建筑面积、建筑高度、距火源距离等因素的影响,较真实地模拟大空间受火灾各构件的升温过程。其差异可以从图2和图3看出。1.2温度对索、钢和预应力作用的影响火灾下钢材的热物理性能如:热膨胀系数、比热容、导热系数、密度、泊松比等参数基本上随温度的升高变化不大。但是钢材的热力学性能随温度的变化有很大的变化,当然索的热力学性能也随温度的升高而变化,主要体现在弹性模量和应力-应变关系上。高温下索的弹性模量:ET/E0=0.9093+4.4937×10-4Ts-2.4893×10-6T2s高温下钢材的弹性模量:ETs/Es=-17.2×10-12T4s+11.8×10-9T3s-34.5×10-7T2s+15.9×10-5Ts+1式中:ET为索在温度Ts时的弹性模量;E0为索在室温下的弹性模量;ETs为钢材在温度Ts时的弹性模量;Es为钢材在室温下的弹性模量。火灾下钢材很容易达到塑性状态,本文中采用三折线模型。如图4。2模型和分析方法的计算2.1网壳结构及火灾场景以2008年奥运会羽毛球馆主体屋盖为计算模型,屋盖最大跨度93m,矢高9.3m,矢跨比1/10。其结构形式为下部钢筋混凝土框架结构,上部采用凯维特-联方型弦支穹顶结构。钢管弹性模量为2.06×1011Pa,索的弹性模量为1.9×1011Pa。网壳各节点刚接,支撑条件为周边铰支支撑,结构承受均布节点荷载,恒载为0.85kN/m2,活载为0.5kN/m2。火灾场景:火源发生在场馆的中央位置,为一个10×10的正方形区域。地面面积A取为6000m2,空间高度Z取为20m且分为20,19,18,17m四个高度范围。火源稳定功率25MW,属于快速增长型。2.2增量平衡方程采用ANSYS程序单元库中的Beam188、Link8和Link10单元分别模拟梁、杆和索。根据U.L.(修正的拉格朗日)空间描述法和虚功原理,建立结构内力和位移的增量平衡方程,增量平衡方程简记为:[K]{△u}=Δλ{f}式中:[K]为U.L列式的结构切线刚度矩阵;{△u}为位移增量向量;Δλ为荷载增量参数;{f}为荷载参考向量。基本假定:1)研究结构的被动抗火能力,钢构件无耐火被覆;2)构件的温度沿截面的杆件长度方向均匀分布;3)高温下钢材的热膨胀系数为常数1.4×10-5。结构倒塌的判别标准:结构丧失承载能力或发生失稳破坏(结构总刚主对角线元素小于或等于零)。结构抗火全过程响应分析过程如图5。每次迭代计算时,用修正后的弹性模量来代替原来的弹性模量,应用Newton-Raphson(牛顿-拉夫逊)方法求解非线性方程。3分析模型简介为了清楚表达结构在火灾下的性能分析,本文以图1为分析模型(采用整体火灾情况下),采用两种不同的模型对有代表性节点位移以及各撑杆和径、环向索的内力进行比较。通过比较分析得到较真实的结构破坏机理。3.1结构位移开始下降由图6、图7可知,各节点位移在两种模型下变化过程有很大的区别,可得出如下结论:1)大空间模型下,各节点位移大部分随时间的增大按正方向增大,并且在90min时也没有坍塌的迹象。原因:火灾下热膨胀引起构件伸长且由于环索和混凝土的套箍作用导致结构向上起拱;热膨胀引起的反应大于火灾下力学特性减小引起的反应。2)标准升温曲线下,节点位移基本上都是先随时间的增长按正方向增大,随后在14min左右各节点位移开始下降,直到22min时,结构位移出现大幅度的下降,也就是整个结构基本上已经坍塌破坏。原因:该升温模型升温速率极快,热膨胀引起构件的伸长和混凝土柱子及环向索的套箍作用导致位移上升。在14min左右,结构的力学特性在火灾下发生了质的变化,热膨胀引起的反应小于火灾下力学特性减小引起的反应,致使结构位移开始下降。3)两种模型之所以对结构的反应产生如此大的差异,主要是因为两种模型不同的计算方法。标准升温曲线在某时刻各单元温度一致,并且在20多分钟就能达到500℃(该温度已经使构件的力学特性产生了非常大的变化),而大空间升温模型是与火源释热率(功率)最大值、建筑面积、建筑高度、距火源距离等多种因素有关,在90min最高温度才达到400℃左右,这是最本质的区别。图8、图9是整体结构在不同时刻的位移形状(横坐标的节点就是对应的图1各节点)。大空间升温模型下结构大体上呈凸形,而在14节点(实际结构的190节点)也就是第一环索附近,各单元出现下降的趋势直到最外边单元,就是说该结构破坏首先发生在混凝土柱子和第一环索的区域。标准升温曲线下结构开始处于膨胀状态,随时间增长,结构开始出现下降趋势直到22min左右结构整体坍塌,但是结构开始出现破坏也是在混凝土柱子和第一环索之间的区域,具体一点就是在最外边单元。3.2环索的内力分析该结构撑杆采用的Link8单元(可拉可压,可以考虑蠕变),环向索和径向索采用的是Link10(可拉不可压,不可以考虑蠕变)。图10、图11为两种模型下考虑撑杆蠕变和不考虑撑杆蠕变时的环向索在火灾下的预应力损失。表1为撑杆内力随时间的变化过程。第三、四圈索预应力变化随时间的变化过程同第二圈索,故不再赘述。由图10、图11可得出,在两种模型下第一环索的内力变化有很大的差异。1)大空间模型下,预应力随时间的增长一直增大,且蠕变的影响较大。原因:参照位移变形图8,第一环索附近位移随时间变化是向下的,致使索力增大。第一环索附近温度较低,热膨胀引起的应力损失较小。但是结构其他部分温度高得多,引起的结构变形对第一环索内力变化有很大的影响。由于弦支穹顶结构的本身结构特点以及四周的混凝土柱子,致使上部产生的应力及变形无处释放,就导致混凝土柱子附近的第一环索内力增加。2)标准升温曲线下,其内力变化过程较容易理解,先增大后减小。这也是内力增大的原因。随时间的增长,温度升高的非常快,热膨胀引起的预应力损失较明显,结构内力开始出现下降的趋势。上部结构的位移出现大面积的下降,也促使其下降趋势剧增,直到结构坍塌破坏。由图10、图11可得到其余各环索内力均随时间的增长逐渐减小。原因:参考位移变形图8、图9,高温下热膨胀应变引起的应力损失。蠕变的影响与预应力初值、构件的温度、时间等有必要的联系。主要是受预应力初值的影响最明显,并且本论文考虑的撑杆的蠕变与索是间接的关系,所以对索力预应力损失影响不大。因为第一、二环索预应力较其余环索大很多,所以蠕变对第一、二环索的预应力损失较明显,其余较不明显。3.3环境因素对径向索内力的影响表1-表4为两种模型下,各径向索,撑杆单元内力。因为蠕变影响较小,撑杆及径向索内力均是在没有考虑蠕变情况下所得。由表1-表4可得出,两种模型下撑杆及径向索内力随时间的变化情况,其原因同上边环向索内力的原因。值得说明的一点是,标准升温曲线下构件内力没有减小为0,主要是结构坍塌破坏引起的结构变形引起的。3.4结构的影响火灾下,随温度的逐渐升高,热膨胀应变逐渐增大,蠕变也有所增加,不过对于结构影响较小。从本文的计算结果也可以看出,随着热膨胀应变和蠕变的增加,在总应变不变的情况下,应力应变减小,直至减小为0。该过程在本文的计算中也得到体现,由于篇幅有限,现不列出。4大空间空气升温模型1)鉴于传统火灾设计模型ISO-标准升温曲线的统一和广泛性,本文采用标准升温曲线模型对大跨空间结构进行了分析,得到结构在22min左右坍塌破坏。其过程为位移先上升,在14min左右构件位移开始下降,22min时位移出现大幅度下降,其中第一环索至混凝土柱子之间区域首先破坏,最后整个结构破坏。索力随温度的变化过程为:第一环索力先上升后突然下降,其余各环索力均随温度的升高逐渐下降,直到结构破坏。2)基于大跨空间结构的特点本文也采用了大空间空气升温模型进行了分析。在90min内结构的位移在大部分都处于上升趋势(第一环索附近除外),整体结构呈“凸”状。第一环索至混凝土柱子之间的区域仍然是危险区域,该区域个别构件的位移出现大幅度的下降,只是不影响整体结构。索力随温度的变化过程:第一环索力随温度的升高逐渐升高,但曲率减缓,其余各环索力均随温度的升高逐渐下降。本文之所以考虑到90min,是因为发生火灾时,1h之内是抢救的最有利时间,超过1h结构仍没有破坏,证明该结构的安全储备很高。3)两种模型的最根本区别为:标准升温曲线在特定时刻各单元温度一致,且升温速率极快,在短短20min内就能达到5