钢结构抗火有限元分析方法浅析

摘要：钢结构性能化抗火具有重要的理论意义和工程应用价值。本文介绍了钢结构抗火研究的总体思路以及火灾下建筑钢结构的温度场分析方法和基于有限元分析的钢结构抗火性能计算方法。

关键词：钢结构抗火研究火灾模型有限元分析

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

钢结构具有强度高、自重轻、制作安装方便，商品化程度高，抗震性能好、环境污染少等特点，在建筑工程中发挥着重要的作用。随着钢结构的广泛应用，特别是高层建筑的大量建造，钢结构的抗火设计越来越引起重视。目前，钢结构往往用于大型的体育馆、展览馆、飞机库、剧场、博物馆和高层建筑结构。但是钢材的致命弱点是其物理和机械性能对温度很敏感，耐火性能较差。随着温度的升高，钢材的强度和刚度下降，在火灾中无保护层的钢结构升温很快，即使室温下相对安全的结构在高温时也可能迅速破坏。不加保护的钢结构构件的耐火极限仅为10 min～20 min，一旦发生火灾，结构极易遭到破坏，后果不堪设想[1]。

进行钢结构抗火设计具有如下意义[2]：

1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；

2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡和财产损失；

3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。

1 钢结构整体抗火分析思路

主要采用性能化设计方法，该方法主要从火灾对结构整体的传热影响和钢材本身的非线性特性两个方面对钢结构进行整体分析。工作流程如下：

传热模型温度场分析 温度文件

图1 钢结构整体抗火分析流程图

2 火灾下钢结构温度场分析

可用于分析火灾蔓延及烟气运动的计算软件很多，由于FDS是专门的火灾分析软件，这里介绍FDS软件[3]。

火灾动力学模拟软件FDS由美国国家安全技术学会(NIST)开发，湍流模型为大涡模型，同时包含十多个火灾模拟子模型，如燃烧模型、热辐射模型和热解模型等。FDS假设燃烧受混合因素多方控制，燃料和氧气的反应速度无限快。反应物和燃烧产物的质量比可由状态方程以及经验公式推导出来。辐射热的传导通过求解非散射灰色气体的热辐射传递方程实现。求解FDS偏微分方程组的核心算法是显式的预测-纠错算法，时间和空间的精度为2阶。

经过火场模拟分析， FDS得到了温度结果文件，通过编制温度转换软件可对每个网格节点坐标进行查询换算，获得与结构模型中的钢结构对应点位的温度结果值。

3 钢结构耐火性能分析

3.1 高温下钢材的力学性能及物理特性

1）高温下钢材的力学性能

钢材在火灾升温下弹性模量、屈服强度、应力-应变关系及高温下钢材的物理特性均按照我国现行规范《建筑钢结构防火技术规范》（CECS 200:2006）采用。

高温下，钢材的弹性模量按式（1）计算

（1）

（2）

其中，为钢材温度（℃），为温度为时钢材的弹性模量（MPa），E为常温下钢材的弹性模量（MPa），为高温下钢材弹性模量的折减系数，按式（2）计算。

高温下，钢材的屈服强度按式（3）计算

（3）

（4）

（5）

其中，为钢材温度（℃），为温度为时钢材的屈服强度（MPa），为常温下钢材的屈服强度（MPa），f为常温下钢材的强度设计值（MPa），为钢构件抗力分项系数，取1.1，为高温下钢材屈服强度的折减系数，按式（4）计算。

常温下钢材的屈服强度取，钢材的初始弹性模量为。

2）高温下钢材的物理特性

高温下，钢材的热膨胀系数、导热系数等随温度不会有较大的变化，为应用方便，按照下表进行取值[5]。高温下，结构钢的物理参数见表1。

表1 高温下钢材的物理参数

3.2 荷载

在进行结构耐火性能分析时，除考虑随火灾发展不断升温的温度荷载外，还应根据设计情况综合考虑火灾发生时的永久荷载[6]。

3.3 高温下钢结构的有限元分析

根据网架结构设计图纸，基于ANSYS有限元软件，本文通过APDL命令流建立数值模拟计算模型[7]，

网架杆件采用考虑剪切变形影响的Timoshenko 梁单元（Beam189）模拟[8]，并采用中间节点选项，即每个单元由三个节点组成（2个端节点+1个中间节点），这样单元的形函数为二次曲线，保证结构具有足够精度。对于弹性支座则采用了弹簧单元combin14进行模拟。为了将面荷载导入在网架结构的节点部位，建立了shell181单元[8]，其密度设为零，厚度是0.001mm。

3.4有限元分析结果

根据数值模拟，得到了火灾下网架结构构件的结构响应结果，包括杆件的位移、应力和应变等。

4 结语

当今，钢结构已经被广泛应用在国内外高层建筑及大跨度结构中，钢结构还是未来结构发展的主要方向之一。刚结构抗火研究也将会吸引越来越多的工程技术人员的目光。如何进行更加符合实际的结构抗火试验，如何进行更加准确的数值模拟软件的开发以及如何进行更加合理的性能化抗火设计将是亟待解决的问题。

参考文献

[1] 李金哲，刘晓鹏．钢结构抗火研究现状与发展趋势[J]．四川建材，2010.36(154)：2-3.

[2] 李国强．钢结构抗火设计方法的发展[J]．钢结构，2000.15(3)：47～49.

[3] 傅祝满．建筑火灾模拟方法及进展[J]．大自然探索，1996，15(5)：28-33.

[4] 李国强，陈凯，蒋首超，殷颖智．高温下Q345钢的材料性能试验研究．建筑结构，2001(1)：60—62.

[5] CECS200:2006.建筑钢结构防火技术规范[S].

[6] 李国强，韩林海,楼国标，蒋首超．钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006：87-93.

[7] 陈志华，刘红波,周婷等．空间钢结构APDL参数化计算与分析[M]．北京：中国水利水电出版社，2009：67-108.

[8] 赖永标，胡仁喜,黄书珍．ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例[M]．北京：电子工业出版社，2007：53-63.