火灾下轻型钢结构住宅的有限元模拟

摘要：榱烁好地研究轻钢整体结构的耐火性能，建立一个三层三跨薄壁轻钢龙骨结构整体模型，利用已得火灾下组合墙体内轻钢柱温度时间曲线，有助于模拟低层轻钢住宅单室受火情况。研究结构底层边跨、底层中跨及二层边跨三种受火工况下，结构的变形及应力重分布规律，对三种工况进行了对比分析，有利于研究整体结构最不利受火模式。模拟发现，当结构火灾发生位置处于较低楼层时，对结构的影响越大，在所研究对比的三种工况中，底层中跨受火对轻钢整体结构的耐火性能最为不利。

DOI：10.3969/j.issn.1674-7739.2017.07.019

引言

在美国、澳大利亚、加拿大等国家，冷弯薄壁型钢因其高强轻质且绿色环保的特性，逐渐作为木材的替代品被广泛地应用于民用低层住宅结构中。虽然我国目前轻钢住宅的普及率不高，但可预期的是，轻钢住宅未来在我国的发展趋势较为良好。但目前对轻钢住宅的抗火研究仍处于起步阶段，没有相应的防火设计规范，国内外对轻钢结构抗火研究多集中在构件及子结构试验及有限元模拟上，对于其整体结构抗火性能的研究较少。[1]本章将利用有限元软件ANSYS，将文献[2]所得冷弯薄壁型钢组合墙体在ISO834标准升温曲线作用下的温度场结果应用于整体结构的抗火研究中，研究轻钢住宅在单室受火时，结构整体的变形过程及应力重分布规律，为轻钢结构在火灾下的抗倒塌分析提供参考。

一、有限元模型的建立

（一）基本假定

本文有限元分析在简化模型且不影响研究问题的准确性条件下，采用了如下假定：一是暂不分析火势蔓延情况，假设受火灾高温作用的轻钢柱不向相邻梁、柱或楼板发生热传递，其余非受火区域保持常温20°C；二是受火C型钢柱截面温度均匀，不考虑非均匀温度场，受火灾影响升温速率相同；三是暂不模拟在火灾后期出现立柱断裂、楼板脱落等情况，轻钢结构在分析过程中始终作为一个整体；四是不考虑墙板对立柱的约束作用。

（二）有限元模型

所选用轻钢结构计算模型为三层薄壁轻钢龙骨结构模型，立柱间距600mm，该计算模型层高3m，楼高9m，横向三跨共12m，纵向三跨共12m。薄壁轻钢龙骨结构模型所用钢材为Q235型钢，模型做了适当的简化，未考虑横轴上立柱和门窗等，且模型中纵轴上立柱未做边立柱与中柱尺寸区分，所用构件具体尺寸详见表1。

（三）材料参数

钢材高温屈服强度及弹性模量折减系数参考澳大利亚学者Mahendran所做试验，[4，5]而钢材的高温应力应变曲线则选用目前被学者普遍采用的欧洲标准模型。

（四）模型单元的选取

考虑到ANSYS在土木工程领域中广泛的应用经验，将采用梁单元beam189模拟薄壁轻钢龙骨结构中梁及柱，壳单元shell281模拟混凝土楼板，薄壁轻钢龙骨结构模型有限元模型如图2。

（五）荷载及约束条件

从文献[2]对冷弯薄壁型钢组合墙体温度场研究可知，单面受火的组合墙体，因墙板及内腔隔热材料的存在，大幅度延缓了温度在墙体内的传递，使得组合墙体中C型钢两翼缘存在不容忽视的温度差。但根据文献，[3]构件截面温度梯度对高温下结构响应影响较小，可以忽略不计，因此本文研究将采用在文献[2]所得C型钢受火翼缘温度（图3），即该构件截面最高温度作为温度载荷直接施加在受火轻钢柱上。

轻钢框架结构中各节点采用共用节点方式模拟，框架底层柱脚与基础固结，屋顶楼板承受0.5kN/m2，其余各层间楼板承受3kN/m2。本文仅探讨在单室火灾作用下，轻钢结构整体变形及应力重分布规律。

二、轻钢住宅受火有限元分析

火灾发生具有一定的随机性，目前大多学者对火灾的研究仍采用数据统计的方法，而火源发生位置却会对结构整体的温度场分布和热力效应产生极大的影响。虽然在本文有限元模型假定中假设不考虑火灾的蔓延和扩散，但为了更深入研究轻钢结构在火灾中的变形及应力重分布等，本文将研究火灾发生在轻钢结构底层边跨、底层中跨及二层边跨时结构的热力效应。各工况受火位置示意图见下图4，且为下文数据分析方便，在示意图中一并表明所选择的各层楼板关键点及其位置。

三种工况中均出现应力重分布现象，但因各时刻应力最大值出现位置均不在所选择关键点上，也各不相同，故不在本文中对三工况应力时间曲线做对比，且工况三与工况一较为接近，故仅对工况一和工况二做出简要分析，见图5～6。应力云图中可发现，最大应力在受火过程中，处于持续增加状态，其最后所出现位置也多集中在定位轴2及定位轴3轴线外柱上，可见在结构防整体倒塌设计中应重视相应立柱的抗火设计。工况二为底层中跨受火，该受火跨为结构最大应力出现位置，其力学性能将在受火过程中大幅度降低，无法继续承担结构固有荷载。故经过上述分析可知，对于三种工况来说，底层中跨受火对结构最不利。

三、结论

从上文分析中可得到以下结论：一是当结构为中跨受火时，结构几乎不发生在x轴方向上的位移。二是在相同平面位置受火时，受火位置越低，对结构带来的影响越大。可考虑在轻钢结构下层增设更多的消防设施。三是三种工况中，工况二即结构底层中跨受火时对结构的整体稳定及耐火极限最为不利。四是在受火过程中，最大应力均发生在平面图中定位轴线2和定位轴线3所经过立柱上，应在结构设计中对该部分立柱加强防火设计。保证其在受火时满足规范所要求的耐火时间，并具有足够的强度储备值，当结构发生应力重分布时，能承载其余失效部位所传递的荷载，不先于周边结构构件发生破坏。

参考文献：

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