火災模型對鋼交錯桁架結構性能化抗火設計的適用性分析＊

陳長坤,張 冬,劉廣林

(中南大學防災科學與安全技術研究所,湖南長沙 410075)

火災模型對鋼交錯桁架結構性能化抗火設計的適用性分析＊

陳長坤,張 冬,劉廣林

(中南大學防災科學與安全技術研究所,湖南長沙 410075)

對目前性能化防火設計中常用的4種火災作用模型進行了分析和總結,并運用這4種模型對鋼結構交錯桁架在火災時的熱環境進行了模擬,分析不同火災作用模型下該體系的結構響應,研究不同火災作用模型對交錯桁架結構性能化抗火設計的適用性。研究表明:火源功率、火災載及火災持續時間等因素對鋼結構交錯桁架的抗火分析具有重要影響。國際標準升溫曲線和參數化室內升溫曲線不考慮火源功率、建筑通風口等因素,缺乏針對性,分析結果偏于保守;區域模型所得溫度偏低,不宜用于交錯桁架結構的性能化抗火設計;場模型考慮了火源功率及環境溫度分布的不均勻性,和實際火災較接近,計算結果相對較為準確,可用于結構的性能化防火設計。

火災模型;交錯桁架;結構抗火;鋼結構

0 引言

鋼交錯桁架結構是一種新型的抗側力體系[1]。目前在國外已經得到推廣與應用,但在我國并無工程實例。防火設計理論的不完善是制約鋼交錯桁架結構推廣的一個重要因素。

目前針對鋼交錯桁架結構的抗火性能研究,國內外相關報道還很少。美國鋼結構學會在2002年推出的交錯桁架體系設計指南——Steel Design Guide Series 14:Staggered Truss Framing System[2]是目前國際上較權威的交錯桁架體系設計指導性文獻,但其中防火設計部分也主要是對普通鋼結構防火設計理論的拓廣應用。現有的研究成果還未形成完善的防火設計理論。因此對于鋼交錯桁架結構,采用性能化的抗火設計是必要的。

在鋼結構建筑的性能化抗火設計中,保證建筑具有足夠的耐火時間是進行性能化設計的重要依據。鋼結構建筑的耐火時間與火災時空氣的溫升過程密切相關。為了得到真實的鋼結構建筑耐火時間,必須較為準確地預測火災情況下空氣的溫升過程,而火災情況下空氣的溫升過程又取決于所采用的火災作用模型。因此研究不同火災作用模型對鋼結構抗火分析的影響,對結構的性能化抗火設計有著十分重要的意義。

目前在建筑性能化防火設計中常用的4種室內火災作用模型為:國際標準升溫曲線ISO834、參數化的室內升溫曲線、區域模型和場模型[3]。本文以鋼結構交錯桁架作為分析對象,運用上述4種火災作用模型分析鋼結構火災的熱環境,研究其對鋼結構交錯桁架體系抗火性能的影響,討論各種火災作用模型的優缺點及其在鋼結構交錯桁架抗火分析中的適用性。

1 鋼結構性能化抗火設計步驟

鋼結構的性能化抗火設計主要包括以下3個步驟:首先根據選取的火災作用模型確定著火空間環境溫度,進而得到鋼構件內部溫度場,然后根據構件內部溫度場分析結構在火災作用下的響應。具體分析步驟如圖1所示。

2 火災作用模型分析

2.1 國際標準升溫曲線

國際標準火災升溫曲線ISO834是國際標準化組織制定的一條理想化的火災溫度-時間理論試驗曲線,其表達式如下:

式中:t為加熱時間(min);Tt為受火t時間后的爐內溫度(℃);T0為爐內初始溫度(℃)。

圖1 鋼結構性能化抗火設計流程圖

2.2 參數化的室內升溫曲線

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

火災增長階段室內溫度:

火災衰減階段室內溫度:

2.3 區域模型

區域模型是以受限空間中的火災為研究對象的半物理模擬,將受火空間分為不同區域,假定每個區域中壓力、密度、溫度、煙氣濃度等物理參數均勻一致[3]。區域模型在描述火災燃燒時進行了較大簡化,無法得到火災的某些細節,但其保留了火災燃燒系統的復雜性機制,因此在性能化設計中仍得到較廣泛的運用,例如,田玉敏等人即采用區域模擬對某歌劇院火災進行數值模擬[5]。雙區域模型是最簡化也是最常用的區域模型。常用的區域模擬軟件有CFAST等。

2.4 場模型

場模型將受火空間劃分為許多相互關聯的單元,通過求解控制火災過程中的一系列質量、能量、動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計中得到了較為廣泛的應用, Rehm等人曾用FDS分析911事件中世貿中心火災過程[3,7]。

可以看出,以上4種模型各有優缺點,其中場模型由于考慮火災作用下室內溫度的不均勻分布,和真實火災較接近。

3 分析模型及假設

分析對象為6層鋼交錯桁架體系建筑模型。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作用。受火交錯桁架結構如圖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。高溫下鋼材料參數均按照歐洲規范EUROCODE3[8]選取,鋼材熱膨脹系數為: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,外柱被墻體保護較好,受火災影響較小,僅火源正上方一層桁架下弦桿受火災影響較大,受火構件截面溫度均勻分布。同時,在分析中不考慮鋼構件的不完整性、初彎曲、殘余應力和彎扭屈曲。

發生火災的房間如圖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),底邊距室內地面1 m,門尺寸為1.2 m×2 m(寬×高)。交錯桁架弦桿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對著火房間的溫度影響,火源位于房間中部,火災發展為αt2增長型,α=0.046 9,火災荷載為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 結果分析

具體分析時,區域模型和場模型的火災熱環境溫度分別采用相應軟件CFAST和FDS模擬獲得,并運用有限元軟件ANSYS對鋼構件內部溫度場和高溫下鋼結構交錯桁架結構的力學響應進行模擬分析。

4.1 熱環境溫度

圖4給出了火源功率為1MW和2MW時不同火災模型作用下室內環境溫升曲線,其中場模擬給出的是火源正上方C點位置(C點位置見圖3)的溫度隨時間變化的曲線。從圖4中可以看出,在火災初始階段,根據各種不同火災作用模型得到的溫升較接近。但是火災發展到一定階段后,采用各模型得到的室內溫度差別較大。其中采用區域模擬得到的室內溫度較低,這可能是由于鋼交錯桁架結構建筑的層高較小,不易形成穩定的煙氣層引起的。同時,火源功率對室內溫度有很大影響,當室內火源功率為2MW時,在火災發生2 min后,火源正上方C點處的溫度較高,隨后保持穩定。

圖4 不同火災作用模型下熱環境溫度變化曲線

采用場模擬能夠獲得火災過程中溫度的空間分布,因此,可以得到火災作用下沿構件軸向的空氣溫度分布。由于火源左右兩側沿弦桿方向溫度變化大致相同,圖5給出了火源功率為1MW時弦桿1靠墻端A點、弦桿中部B點和火源正上方C點三個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,場模擬得到的結果中,著火房間溫度沿構件軸向方向的溫度相差較大,且離火源位置越遠溫度越低,這與實際情況較為一致。火源功率為1MW時,離火源最遠處的A點和火源正上方C點的溫差接近200℃。火源位置正上方由于受羽流的影響,溫度波動較大。火源功率為2MW時情況類似。

圖5 火源功率1MW場模擬沿弦桿縱向環境溫度曲線

4.2 構件內部溫度

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

4.3 結構響應分析

圖6 不同火災作用模型下構件內部溫度比較

圖7 火源功率1MW場模擬構件軸向各內部溫度曲線

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

圖8 不同火災作用模型下B截面豎向位移曲線比較

圖9 不同火災作用模型下B點彎矩-時間曲線比較

表1 不同火災模型下結構失效時間

5 結論

通過研究不同火災作用模型下鋼結構交錯桁架體系的力學響應,可以發現不同火災作用模型對交錯桁架體系的抗火分析結果具有較大的影響。

(1)場模型考慮了火源功率及熱環境溫度分布的不均勻性,能較真實地模擬火災,可用于鋼交錯桁架結構性能化抗火設計的細致分析。但值得注意的是,場模擬得到的火場熱環境溫度與建筑房間的布局聯系密切。建筑房間布局在使用中可能發生改變,將影響設計結果的可靠性。因此,建筑布局如發生變化,應進行結構耐火復核,排除對結構具有高危險影響的布局。

(2)國際標準溫升曲線對火災熱環境的確定有一定的局限性。運用其進行鋼交錯桁架的性能化抗火分析時,分析結果可能與實際情況有一定偏差,從而導致建筑的防火設計偏保守。但國際標準溫升曲線不受受火空間形狀、燃料分布等因素的限制,其結果仍具有較好的參考價值。

(3)火災的衰減階段的降溫和火源功率也會對結構的抗火性能產生一定影響。因此在進行鋼結構交錯桁架抗火分析時,考慮火源功率、火災荷載及火災持續時間等因素的影響是必要的,在能夠準確確定以上室內參數時,采用參數化的室內升溫曲線對熱環境進行分析更為符合實際。但是,ENV 1991-2-2在火災增長階段不考慮火源功率對室內溫升的影響,因此其升溫曲線也缺乏針對性。

(4)由于鋼交錯桁架結構的層高較小,在火災比較大的情況下,不易形成穩定的熱煙氣層,如采用區域模型,所得的只是室內熱煙氣的平均溫度,無法給出對結構有重要影響的局部高溫,這將無法保證設計結果的可靠性與安全性,因此在鋼交錯桁架結構的性能化抗火設計中不宜選用區域模型對火災熱環境進行分析。

[1] Jinkoo Kim,Joon-ho Lee,Young-moon Kim.Inelastic Behaviorof Staggered Truss Systems[J].Struct.Design Tall Spec. build,2007,16(1):85-105.

[2] A ISC.2002.Steel Design Guide 14:Staggered Truss Framing System[R].American Institute of Steel Construction:Chicago.

[3] 裴蓓,余明高,劉華.建筑火災煙氣運動數值模擬方法及評價[J].河南理工大學學報,2008,27(1):12-16.

[4] John A.Purkiss.Fire Safety Engineering Design of Structures [M].Oxford:Butterworth-Heinemann,1996.

[5] 田玉敏,梁強.歌劇院火災場景下人員疏散安全性的檢驗[J].消防科學與技術,2007,26(2):149-153.

[6] 安永林,彭立敏,楊偉超.基于FDS仿真火災溫度下隧道襯砌安全評估[J].災害學,2008,23(2):96-100.

[7] Rehm R G,PittsW M,Baum H R,et al.Initialmodel for fires in the world trade center towels[R].Gaither8一burg:Building and Fire Research Laboratory,NISTIR6879,2003.

[8] Eurocode3 Design of Steel Structures,Part 1.2:General Rules, Structural Fire Design[S].London:British Standards Institution,2000.

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

國家自然科學基金項目(50706059)

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