火災(zāi)模型對鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的適用性分析＊

陳長坤,張 冬,劉廣林

(中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南長沙 410075)

火災(zāi)模型對鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的適用性分析＊

陳長坤,張 冬,劉廣林

(中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南長沙 410075)

對目前性能化防火設(shè)計(jì)中常用的4種火災(zāi)作用模型進(jìn)行了分析和總結(jié),并運(yùn)用這4種模型對鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架在火災(zāi)時(shí)的熱環(huán)境進(jìn)行了模擬,分析不同火災(zāi)作用模型下該體系的結(jié)構(gòu)響應(yīng),研究不同火災(zāi)作用模型對交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的適用性。研究表明:火源功率、火災(zāi)載及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等因素對鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架的抗火分析具有重要影響。國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和參數(shù)化室內(nèi)升溫曲線不考慮火源功率、建筑通風(fēng)口等因素,缺乏針對性,分析結(jié)果偏于保守;區(qū)域模型所得溫度偏低,不宜用于交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的性能化抗火設(shè)計(jì);場模型考慮了火源功率及環(huán)境溫度分布的不均勻性,和實(shí)際火災(zāi)較接近,計(jì)算結(jié)果相對較為準(zhǔn)確,可用于結(jié)構(gòu)的性能化防火設(shè)計(jì)。

火災(zāi)模型;交錯(cuò)桁架;結(jié)構(gòu)抗火;鋼結(jié)構(gòu)

0 引言

鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)是一種新型的抗側(cè)力體系[1]。目前在國外已經(jīng)得到推廣與應(yīng)用,但在我國并無工程實(shí)例。防火設(shè)計(jì)理論的不完善是制約鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)推廣的一個(gè)重要因素。

目前針對鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的抗火性能研究,國內(nèi)外相關(guān)報(bào)道還很少。美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會在2002年推出的交錯(cuò)桁架體系設(shè)計(jì)指南——Steel Design Guide Series 14:Staggered Truss Framing System[2]是目前國際上較權(quán)威的交錯(cuò)桁架體系設(shè)計(jì)指導(dǎo)性文獻(xiàn),但其中防火設(shè)計(jì)部分也主要是對普通鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)理論的拓廣應(yīng)用。現(xiàn)有的研究成果還未形成完善的防火設(shè)計(jì)理論。因此對于鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu),采用性能化的抗火設(shè)計(jì)是必要的。

在鋼結(jié)構(gòu)建筑的性能化抗火設(shè)計(jì)中,保證建筑具有足夠的耐火時(shí)間是進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火時(shí)間與火災(zāi)時(shí)空氣的溫升過程密切相關(guān)。為了得到真實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火時(shí)間,必須較為準(zhǔn)確地預(yù)測火災(zāi)情況下空氣的溫升過程,而火災(zāi)情況下空氣的溫升過程又取決于所采用的火災(zāi)作用模型。因此研究不同火災(zāi)作用模型對鋼結(jié)構(gòu)抗火分析的影響,對結(jié)構(gòu)的性能化抗火設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

目前在建筑性能化防火設(shè)計(jì)中常用的4種室內(nèi)火災(zāi)作用模型為:國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線ISO834、參數(shù)化的室內(nèi)升溫曲線、區(qū)域模型和場模型[3]。本文以鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架作為分析對象,運(yùn)用上述4種火災(zāi)作用模型分析鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)的熱環(huán)境,研究其對鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架體系抗火性能的影響,討論各種火災(zāi)作用模型的優(yōu)缺點(diǎn)及其在鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架抗火分析中的適用性。

1 鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)步驟

鋼結(jié)構(gòu)的性能化抗火設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)步驟:首先根據(jù)選取的火災(zāi)作用模型確定著火空間環(huán)境溫度,進(jìn)而得到鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度場,然后根據(jù)構(gòu)件內(nèi)部溫度場分析結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的響應(yīng)。具體分析步驟如圖1所示。

2 火災(zāi)作用模型分析

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

國際標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線ISO834是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的一條理想化的火災(zāi)溫度-時(shí)間理論試驗(yàn)曲線,其表達(dá)式如下:

式中:t為加熱時(shí)間(min);Tt為受火t時(shí)間后的爐內(nèi)溫度(℃);T0為爐內(nèi)初始溫度(℃)。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)流程圖

2.2 參數(shù)化的室內(nèi)升溫曲線

室內(nèi)升溫曲線可以根據(jù)參數(shù)方程的方法獲得。目前,國內(nèi)外學(xué)者提出了多種求解室內(nèi)溫度的參數(shù)方程[4]。其中具有代表性的ENV 1991-2 -2推薦的方法中,火災(zāi)過程溫度可由下列公式獲得[4]。

火災(zāi)增長階段室內(nèi)溫度:

火災(zāi)衰減階段室內(nèi)溫度:

2.3 區(qū)域模型

區(qū)域模型是以受限空間中的火災(zāi)為研究對象的半物理模擬,將受火空間分為不同區(qū)域,假定每個(gè)區(qū)域中壓力、密度、溫度、煙氣濃度等物理參數(shù)均勻一致[3]。區(qū)域模型在描述火災(zāi)燃燒時(shí)進(jìn)行了較大簡化,無法得到火災(zāi)的某些細(xì)節(jié),但其保留了火災(zāi)燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性機(jī)制,因此在性能化設(shè)計(jì)中仍得到較廣泛的運(yùn)用,例如,田玉敏等人即采用區(qū)域模擬對某歌劇院火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。雙區(qū)域模型是最簡化也是最常用的區(qū)域模型。常用的區(qū)域模擬軟件有CFAST等。

2.4 場模型

場模型將受火空間劃分為許多相互關(guān)聯(lián)的單元,通過求解控制火災(zāi)過程中的一系列質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒的偏微分方程,得到該空間的溫度場、流速場及組分濃度場等時(shí)間空間分布[6]。目前,常用的場模擬軟件有FDS、Phoenics等。場模擬在性能化防火設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用, Rehm等人曾用FDS分析911事件中世貿(mào)中心火災(zāi)過程[3,7]。

可以看出,以上4種模型各有優(yōu)缺點(diǎn),其中場模型由于考慮火災(zāi)作用下室內(nèi)溫度的不均勻分布,和真實(shí)火災(zāi)較接近。

3 分析模型及假設(shè)

分析對象為6層鋼交錯(cuò)桁架體系建筑模型。建筑共有三榀桁架,跨度12.5 m,其中中間榀桁架底層受火災(zāi)作用。受火交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中柱和弦桿分別采用350 mm×350 mm×16 mm和200 mm×200×10 mm的方鋼管,腹桿采用160 mm×160 mm×10 mm方鋼管,鋼材料為Q235。高溫下鋼材料參數(shù)均按照歐洲規(guī)范EUROCODE3[8]選取,鋼材熱膨脹系數(shù)為:αs=1.4×10-5。弦桿與外柱鉸接,腹桿與弦桿鉸接,弦桿間剛接。弦桿受均布荷載作用,荷載比為0.4。

圖2 受火交錯(cuò)桁架示意圖

在分析過程中,假定墻體隔熱性能良好,外柱被墻體保護(hù)較好,受火災(zāi)影響較小,僅火源正上方一層桁架下弦桿受火災(zāi)影響較大,受火構(gòu)件截面溫度均勻分布。同時(shí),在分析中不考慮鋼構(gòu)件的不完整性、初彎曲、殘余應(yīng)力和彎扭屈曲。

發(fā)生火災(zāi)的房間如圖3所示,房間尺寸為5 m×4 m×3 m(長×寬×高),窗尺寸為1.8 m× 1.5 m(寬×高),底邊距室內(nèi)地面1 m,門尺寸為1.2 m×2 m(寬×高)。交錯(cuò)桁架弦桿1和弦桿2位于受火房間屋頂中部。受火房間模擬過程中只考慮火災(zāi)對著火房間的溫度影響,火源位于房間中部,火災(zāi)發(fā)展為αt2增長型,α=0.046 9,火災(zāi)荷載為360 MJ/m2,火源功率為1 MW、2 MW。

圖3 受火房間示意圖(受火房間位置見圖2)

4 結(jié)果分析

具體分析時(shí),區(qū)域模型和場模型的火災(zāi)熱環(huán)境溫度分別采用相應(yīng)軟件CFAST和FDS模擬獲得,并運(yùn)用有限元軟件ANSYS對鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度場和高溫下鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬分析。

4.1 熱環(huán)境溫度

圖4給出了火源功率為1MW和2MW時(shí)不同火災(zāi)模型作用下室內(nèi)環(huán)境溫升曲線,其中場模擬給出的是火源正上方C點(diǎn)位置(C點(diǎn)位置見圖3)的溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖4中可以看出,在火災(zāi)初始階段,根據(jù)各種不同火災(zāi)作用模型得到的溫升較接近。但是火災(zāi)發(fā)展到一定階段后,采用各模型得到的室內(nèi)溫度差別較大。其中采用區(qū)域模擬得到的室內(nèi)溫度較低,這可能是由于鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)建筑的層高較小,不易形成穩(wěn)定的煙氣層引起的。同時(shí),火源功率對室內(nèi)溫度有很大影響,當(dāng)室內(nèi)火源功率為2MW時(shí),在火災(zāi)發(fā)生2 min后,火源正上方C點(diǎn)處的溫度較高,隨后保持穩(wěn)定。

圖4 不同火災(zāi)作用模型下熱環(huán)境溫度變化曲線

采用場模擬能夠獲得火災(zāi)過程中溫度的空間分布,因此,可以得到火災(zāi)作用下沿構(gòu)件軸向的空氣溫度分布。由于火源左右兩側(cè)沿弦桿方向溫度變化大致相同,圖5給出了火源功率為1MW時(shí)弦桿1靠墻端A點(diǎn)、弦桿中部B點(diǎn)和火源正上方C點(diǎn)三個(gè)特征位置的空氣溫度變化曲線(A、B、C位置見圖3)。由圖中可以看出,場模擬得到的結(jié)果中,著火房間溫度沿構(gòu)件軸向方向的溫度相差較大,且離火源位置越遠(yuǎn)溫度越低,這與實(shí)際情況較為一致?；鹪垂β蕿?MW時(shí),離火源最遠(yuǎn)處的A點(diǎn)和火源正上方C點(diǎn)的溫差接近200℃?；鹪次恢谜戏接捎谑苡鹆鞯挠绊?溫度波動(dòng)較大?；鹪垂β蕿?MW時(shí)情況類似。

圖5 火源功率1MW場模擬沿弦桿縱向環(huán)境溫度曲線

4.2 構(gòu)件內(nèi)部溫度

圖6給出了不同火災(zāi)作用模型下,受高溫作用的鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度場隨時(shí)間變化曲線。其中場模擬選取的截面位置為火源正上方C點(diǎn)處鋼構(gòu)件截面。由圖可知,火災(zāi)熱環(huán)境直接影響鋼構(gòu)建的內(nèi)部溫度場,環(huán)境溫度越高,構(gòu)件內(nèi)部溫度越高。不同火災(zāi)作用模型下鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度場變化存在較大的差別。圖7給出了火源功率為1MW時(shí)受火鋼構(gòu)件沿軸向方向溫度場分布情況。由圖中可以看出,鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度沿軸向分布不均勻,離火源位置越近溫度越高,離火源位置較遠(yuǎn)的鋼構(gòu)件截面溫度較低,這和熱環(huán)境溫度場的分布規(guī)律是一致的。

4.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

圖6 不同火災(zāi)作用模型下構(gòu)件內(nèi)部溫度比較

圖7 火源功率1MW場模擬構(gòu)件軸向各內(nèi)部溫度曲線

圖8給出了不同火災(zāi)作用模型下,鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)受火弦桿B點(diǎn)截面豎向位移隨時(shí)間的變化曲線。由圖8中可以看出,由于在火災(zāi)初始階段高溫的作用,國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線、參數(shù)化室內(nèi)升溫曲線模型和場模擬2MW火源下,結(jié)構(gòu)在較短時(shí)間內(nèi)失效。不同火災(zāi)作用模型下結(jié)構(gòu)失效時(shí)間如表1所示。由表1可知,參數(shù)化室內(nèi)升溫曲線雖然考慮了火災(zāi)衰減階段,但由于其對升溫階段的計(jì)算不考慮火源功率的影響,其所描述的室內(nèi)溫度依然較高,使得結(jié)構(gòu)在1 056 s內(nèi)失效。結(jié)合圖9中給出的不同火災(zāi)作用模型下B截面彎矩隨時(shí)間變化曲線可看出,在火災(zāi)作用下,雖然場模擬2MW火源下得到的交錯(cuò)桁架體系火源正上方鋼構(gòu)件截面溫度較高,但由于鋼構(gòu)件內(nèi)部縱向溫度場的不均勻分布,導(dǎo)致弦桿B截面位移和彎矩卻較小,結(jié)構(gòu)失效時(shí)間也長,為1 107 s。由此可見,構(gòu)件縱向溫度場分布對交錯(cuò)桁架抗火性能有較大影響。因此,在對交錯(cuò)桁架進(jìn)行抗火分析時(shí)考慮構(gòu)件內(nèi)部溫度場的不均勻分布是必要的。

圖8 不同火災(zāi)作用模型下B截面豎向位移曲線比較

圖9 不同火災(zāi)作用模型下B點(diǎn)彎矩-時(shí)間曲線比較

表1 不同火災(zāi)模型下結(jié)構(gòu)失效時(shí)間

5 結(jié)論

通過研究不同火災(zāi)作用模型下鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架體系的力學(xué)響應(yīng),可以發(fā)現(xiàn)不同火災(zāi)作用模型對交錯(cuò)桁架體系的抗火分析結(jié)果具有較大的影響。

(1)場模型考慮了火源功率及熱環(huán)境溫度分布的不均勻性,能較真實(shí)地模擬火災(zāi),可用于鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的細(xì)致分析。但值得注意的是,場模擬得到的火場熱環(huán)境溫度與建筑房間的布局聯(lián)系密切。建筑房間布局在使用中可能發(fā)生改變,將影響設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。因此,建筑布局如發(fā)生變化,應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐火復(fù)核,排除對結(jié)構(gòu)具有高危險(xiǎn)影響的布局。

(2)國際標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對火災(zāi)熱環(huán)境的確定有一定的局限性。運(yùn)用其進(jìn)行鋼交錯(cuò)桁架的性能化抗火分析時(shí),分析結(jié)果可能與實(shí)際情況有一定偏差,從而導(dǎo)致建筑的防火設(shè)計(jì)偏保守。但國際標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線不受受火空間形狀、燃料分布等因素的限制,其結(jié)果仍具有較好的參考價(jià)值。

(3)火災(zāi)的衰減階段的降溫和火源功率也會對結(jié)構(gòu)的抗火性能產(chǎn)生一定影響。因此在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)交錯(cuò)桁架抗火分析時(shí),考慮火源功率、火災(zāi)荷載及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等因素的影響是必要的,在能夠準(zhǔn)確確定以上室內(nèi)參數(shù)時(shí),采用參數(shù)化的室內(nèi)升溫曲線對熱環(huán)境進(jìn)行分析更為符合實(shí)際。但是,ENV 1991-2-2在火災(zāi)增長階段不考慮火源功率對室內(nèi)溫升的影響,因此其升溫曲線也缺乏針對性。

(4)由于鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的層高較小,在火災(zāi)比較大的情況下,不易形成穩(wěn)定的熱煙氣層,如采用區(qū)域模型,所得的只是室內(nèi)熱煙氣的平均溫度,無法給出對結(jié)構(gòu)有重要影響的局部高溫,這將無法保證設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性與安全性,因此在鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的性能化抗火設(shè)計(jì)中不宜選用區(qū)域模型對火災(zāi)熱環(huán)境進(jìn)行分析。

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Applicability Analysis of FireModels in Performance-based Fire Protection Design for Steel Staggered-Truss System

Chen Changkun,Zhang Dong and Liu Guanglin
(D isaster Prevention Science and Safety Technology Institute,Central South University,Changsha410075,China)

Four kindsof firemodels,which are commonly used in performance-based fire protection design are analyzed and summarized.The fire environment of steel staggered-truss is s imulated using these fourmodels.The effect of different fire modelson fire-resistance analysis of steel staggered-truss is explored.And the applicability of fire models to the performance-based fire protection design on steel staggered-truss structure is discussed further. The result indicates that the rate of heat release,fire load and fire duration can make great influence on the fire resistance analysis of steel staggered-truss system.ISO834 and parametric equation approach arelack of pertinence.The resultsmay be too conservative.The temperature obtained by zone model is low,so that it is not suitable for the performance-based fire protection design on this structure.Field model considers the heterogeneity of environmental temperature,and its result is close to the real fire,so that it is commended to the performancebased fire protection design on steel staggered-truss structure.

fire model;staggered truss;fire resistance of structure;steel structure

X928.7

A

1000-811X(2010)01-0093-05

2009-08-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50706059)

陳長坤(1977-),男,福建福安人,副教授,博士,從事鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全研究.E-mail:cckchen@mail.csu.edu.cn