摘要：網(wǎng)架結構是大空間建筑的一種重要結構形式，對其進(jìn)行火災下的受力性能分析是結構抗火設計必不可少的一部分。本文以某重大工程網(wǎng)架結構為研究對象，以FDS模擬得到的溫度場(chǎng)為實(shí)際受火過(guò)程，運用ANSYS有
摘 要：網(wǎng)架結構是大空間建筑的一種重要結構形式，對其進(jìn)行火災下的受力性能分析是結構抗火設計必不可少的一部分。本文以某重大工程網(wǎng)架結構為研究對象，以FDS模擬得到的溫度場(chǎng)為實(shí)際受火過(guò)程，運用ANSYS有限元軟件對網(wǎng)架結構進(jìn)行了火災全過(guò)程分析，得到了網(wǎng)架結構在火災作用下的整體變形及受力性能。分析結果與現場(chǎng)檢測結果基本吻合，驗證了模型分析的準確性。本文結論對火災受損后結構的修復與加固提供了一定參考。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)架結構，溫度場(chǎng)，升降溫，受力特性
網(wǎng)架結構是大跨大空間結構的一種形式，具有節約鋼材，整體性好，制作安裝快捷，造型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于各種公共建筑中。由于鋼材耐火性能差，大跨公共建筑一旦發(fā)生火災，將可能造成重大人身和財產(chǎn)損失，因此對大空間網(wǎng)架結構進(jìn)行抗火性能研究是大空間建筑抗火設計必不可少的一部分。 目前國內外對網(wǎng)架的研究主要集中在結構靜力與動(dòng)力性能上，對網(wǎng)架結構抗火性能的研究還處于初步階段。杜詠[1]過(guò)對受支座約束的網(wǎng)架結構在非均勻溫度場(chǎng)中的力學(xué)反應進(jìn)行了分析，得出了支座約束剛度、網(wǎng)架結構抗剪剛度等因素對網(wǎng)架結構臨界溫度的影響規律，提出了考慮支座約束影響的正放四角錐網(wǎng)架結構臨界溫度的計算方法。邱林波[2]采用ABAQUS對火災下網(wǎng)架結構的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了不同火源模型和不同結構參
數對火災下結構極限狀態(tài)的影響，提出火災下網(wǎng)架結構承載能力極限狀態(tài)的判定標準。鄒文平[3]建立了考慮升降溫火災全過(guò)程及火災后網(wǎng)架力學(xué)性能分析的有限元模型，對火災全過(guò)程中網(wǎng)架結構的變形，內力重分布及火災后承載力進(jìn)行了研究。白音[4]等對高溫下的網(wǎng)架結構進(jìn)行了非線(xiàn)性分析，并提出了采用修正的擬夾層板法估算網(wǎng)架結構在火災下的最大位移。
以前的研究均為基于假設溫度場(chǎng)下的網(wǎng)架抗火性能研究，其結果的正確性需進(jìn)一步驗證。本文以某重大工程為研究背景，根據火災現場(chǎng)情況，結合FDS模擬得到的結構溫度場(chǎng)分布，對網(wǎng)架結構進(jìn)行火災全過(guò)程非線(xiàn)性有限元分析，得到了升降溫過(guò)程中網(wǎng)架結構的整體受力及變形特性。有限元分析結果與現場(chǎng)檢測結果相吻合，表明本文建立的火災全過(guò)程有限元模性的正確性。分析結果為災后網(wǎng)架結構的修復與加固提供一定的參考。
1. 網(wǎng)架有限元模型
1.1 網(wǎng)架幾何模型
某工程網(wǎng)架，平面長(cháng)91.55m，寬78.925m，為雙層正放四角錐網(wǎng)架結構。網(wǎng)格平面尺寸3.6m 3.6m，網(wǎng)格厚度為2.62m，桿件截面為圓形鋼管，共有121mm 5mm、140mm 6mm、180mm 6mm、203mm 6mm等16種規格。
本文采用ANSYS軟件建立網(wǎng)架有限元計算模型，網(wǎng)架桿件單元采用BEAM18進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)架有限元模型見(jiàn)圖1。
1.2 荷載情況
施加在網(wǎng)架上的荷載按照火災發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況選取定。火災發(fā)生時(shí)，作用在網(wǎng)架結構上的實(shí)際荷載有構件自重，網(wǎng)架上下覆蓋的金屬自重，網(wǎng)架上懸掛的豎向玻璃幕墻荷載，網(wǎng)架上懸掛的燈具自重，樓梯荷載，天溝荷載以及暖通靜壓箱荷載等；結構分析時(shí)不考慮活荷載的作用。網(wǎng)架結構的有限元模型及荷載分布情況見(jiàn)圖1。
1.3 網(wǎng)架支座情況
網(wǎng)架結構中支座分兩種類(lèi)型：固定鉸支座與滑動(dòng)鉸支座。固定鉸支座約束三向位移，允許空間自由轉動(dòng)，最大允許轉角為0.02rad。滑動(dòng)支座只約束豎向位移，允許在水平面內雙向自由滑動(dòng)，允許空間自由轉動(dòng)，最大允許轉角為0.025rad；支座設雙向限位裝置，滑動(dòng)后的承載力重心與球型轉動(dòng)面中心對齊。
根據網(wǎng)架結構中各滑動(dòng)支座的情況，結合GB/T 17955-2000《球型支座技術(shù)條件》[5]相應規定，在ANSYS中采用彈簧單元combin39來(lái)建立滑動(dòng)支座模型，通過(guò)設定相應的荷載位移曲線(xiàn)來(lái)模擬滑動(dòng)支座在平面內自由滑動(dòng)的特性。
2 高溫下鋼材特性
2.1 高溫下鋼材的應力應變關(guān)系
網(wǎng)架構件所用鋼材型號為Q345B，常溫下鋼材的屈服強度標準值取
，鋼材的極限強度標準值為
，鋼材的初始彈性模量為
。ANSYS分析中鋼材采用多線(xiàn)性隨動(dòng)強化模型，高溫下和高溫后的鋼材應力應變關(guān)系按歐洲規范EC3:Part 1.2［6］的約定選取，高溫下鋼材的應力應變曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。
2.2 高溫下鋼材的物理特性
高溫下鋼材的物理特性根據CECS 200:2006《建筑鋼結構防火技術(shù)規范》［7］相關(guān)規定選取。鋼材的熱膨脹系數取
，鋼材密度為7850 ，泊松比為0.3。
3 網(wǎng)架溫度場(chǎng)分布
作用于網(wǎng)架結構的溫度場(chǎng)通過(guò)火災現場(chǎng)調查并利用FDS軟件模擬得到。根據網(wǎng)架構件防火涂層的特性（防火涂層的導熱系數
，厚度為4mm，密度
及《建筑鋼結構防火技術(shù)規范規范》（CECS 200:2006）的相關(guān)規定，計算得到網(wǎng)架節點(diǎn)溫度，通過(guò)APDL二次開(kāi)發(fā)程序，將溫度以體荷載的形式施加在網(wǎng)架的各個(gè)節點(diǎn)。火災升溫過(guò)程中網(wǎng)架節點(diǎn)溫度分布情況見(jiàn)圖3。
火災過(guò)程中，溫度場(chǎng)在網(wǎng)架中的分布呈現不均勻性，火災主要集中在網(wǎng)架的中部、南側和東側，網(wǎng)架西側基本沒(méi)有受到火災的影響。網(wǎng)架東南側構件在t=491s時(shí)達到最高506 ，東北側構件在t=4620s時(shí)達到551 。
4分析結果
4.1 網(wǎng)架變形
在室溫（20oC）狀態(tài)下，網(wǎng)架結構在重力荷載作用下，最大及最小豎向位移（z向）發(fā)生在掛有玻璃幕墻的南側邊緣構件。最小位移為-41.7mm，最大位移為16.9mm（圖4（a））。隨著(zhù)溫度的增加及溫度分布的變化，網(wǎng)架結構的最小豎向位移向著(zhù)荷載及溫度較大的中心部位移動(dòng)，最小豎向位移發(fā)生在網(wǎng)架上懸掛馬道部位，在t=491s時(shí)，馬道部位的最小位移為-83.13mm，最大位移依然位于懸掛玻璃幕墻的南側邊緣，為85.923mm。
4.2 網(wǎng)架應力
室溫（20oC）狀態(tài)下，在重力荷載作用下網(wǎng)架結構中的桿件均沒(méi)有屈服，最大拉應力為
，位于荷載較大的馬道部位。隨著(zhù)溫度的升高，鋼材屈服強度降低，溫度荷載較大的區域中桿件發(fā)生屈服，t=300s時(shí)，網(wǎng)架結構中出現塑性應變，桿件發(fā)生屈服，最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.305 。隨著(zhù)溫度場(chǎng)分布的不斷變化，t=917s時(shí)，最大塑性應變發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東南側構件中，最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.0296。t=1343s時(shí)，最大塑性應變發(fā)生在網(wǎng)架東北側的構件中，最大等效塑性應變?yōu)?/span>0.0031。在整個(gè)火災過(guò)程中，網(wǎng)架結構的最大塑性應變?yōu)?/span>0.0075，發(fā)生在溫度較高的網(wǎng)架東北側。
5 分析結果與現場(chǎng)檢測結果對比
火災后現場(chǎng)檢測結果顯示，位于東側的1、2、3號滑動(dòng)支座火損較為嚴重，網(wǎng)架與支座脫開(kāi)。從ANSYS分析結果可知，1、2、3號支座分別在t=491s、t=426s、t=360s時(shí)，在x方向的位置偏差超過(guò)了支座允許偏差量，從而使得支座發(fā)生破壞；整個(gè)火災過(guò)程中，三個(gè)滑動(dòng)支座Y向位置偏差均在允許范圍內，沒(méi)有發(fā)生Y方向的破壞。1、2、3號滑動(dòng)支座分析結果見(jiàn)表1。
檢測結果顯示，網(wǎng)架東側受火災影響較為嚴重，位于網(wǎng)架東側的部分桿件軸線(xiàn)彎曲偏差超過(guò)《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》（GB 50205-2001）[4]的允許值。圖5顯示了ANSYS分析的到的網(wǎng)架東側下弦桿件在溫度荷載作用下的變形圖，可以看出ANSYS分析結果與現場(chǎng)檢測結果具有相似的規律性。
6 結 論
本文根據工程實(shí)際情況，建立了網(wǎng)架結構有限元模型，并對網(wǎng)架在升降溫過(guò)程中的變形及應力分布進(jìn)行了研究，得到如下結論：
1） 溫度場(chǎng)的分布情況對網(wǎng)架結構的變形及應變有較為明顯的影響。從本文的分析結果來(lái)看，隨著(zhù)溫度場(chǎng)分布的變化，網(wǎng)架結構的最小豎向位移向溫度大、荷載大的部位移動(dòng)；結構的塑性應變也隨著(zhù)溫度場(chǎng)的變化而變化。
2） 由于溫度荷載主要集中在網(wǎng)架的東側，在溫度荷載作用下，東側網(wǎng)架桿件變形較大，導致東側網(wǎng)架邊緣的三個(gè)滑動(dòng)支座X方向的位移偏差量超過(guò)允許值，發(fā)生破壞。
3）網(wǎng)架結構火災全過(guò)程有限元分析結果與現場(chǎng)檢測結果基本一致，表明本文建立的有限元模型具有一定的正確性。
4）本文分析方法為網(wǎng)架結構在溫度荷載作用下的受力變形性能分析提供可行的方法，為火災后網(wǎng)架結構的修復與加固給出一定的參考。
參考文獻
[1] 杜詠,李國強.考慮支座約束影響的網(wǎng)架結構抗火性能[J]. 自然災害學(xué)報,2008,17(5):5~15.
[2] 邱林波.空間網(wǎng)格結構火災下的力學(xué)性能研究[D]. 北京:北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.
[3] 鄒文平.火災升降溫及災后全過(guò)程網(wǎng)架結構力學(xué)性能分析[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版),2010,35(6):38~43.
[4] 白音,石永久,王元清.火災中網(wǎng)架結構受力分析與設計方法[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2011,28(2):113~118.
[5] GB/T 17955-2000. 球型支座技術(shù)條件[S]. 北京:國家質(zhì)量技術(shù)監督局,2001.
[6] PREN 1993-1-2:04/2003. Eurocode 3: design of steel structures. part1.2: General rules structural fire
design[S]. European Committee for Stantardisation, 2003.
[7] CECS 200:2006. 建筑鋼結構防火技術(shù)規范[S]. 北京:中國工程建設標準化協(xié)會(huì )行業(yè)標準, 2006.
[8] GB 50205-2001. 鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范[S]. 北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局,中華人民共和國建設部, 2002.
（北京建筑工程學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，北京 10044）
