火災爆炸作用下鋼框架結構破壞分析

作者簡介：劉振宇（1997-），男，碩士。研究方向為力學分析及工程項目管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.018

摘? 要：考慮圍護結構影響下建立2層的鋼框架結構，在火災爆炸分別發生在邊跨和中跨2種工況時，通過改變沖擊力的大小，分析鋼構件的受力和破壞情況，給出鋼框架結構的破壞程度。結果發現，鋼框架結構具有較大的變形能力，型鋼的損傷是隨著沖擊力的增加逐漸積累，墻的存在加速鋼構件的破壞，分析對比梁柱構件的應力時程曲線，發現相同時刻時梁的損傷明顯比柱嚴重，且中柱損傷比邊柱更嚴重，比例距離相同時，溫度越高框架整體破壞越嚴重；溫度相同時，比例距離越小框架破壞越嚴重。研究成果可為今后鋼框架結構的抗火抗爆研究及工程加固提供理論參考。

關鍵詞：火災爆炸作用；鋼框架結構；破壞分析；比例距離；有限元模型

中圖分類號：TU391? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0073-05

Abstract： Considering the influence of the enclosure structure， a two-story steel frame structure is established. When the fire and explosion occur in the side span and the middle span respectively， the force and failure of the steel members are analyzed by changing the impact force， and the damage degree of the steel frame structure is given. The results show that the steel frame structure has greater deformation capacity， the damage of section steel accumulates gradually with the increase of impact force， and the existence of wall accelerates the failure of steel members. The stress time history curve of beam-column members is analyzed and compared. It is found that at the same time， the damage of the beam is more serious than that of the column， and the damage of the middle column is more serious than that of the side column. At the same proportional distance， the higher the temperature is， the more serious the overall damage of the frame is. When the temperature is the same， the smaller the proportional distance is， the more serious the frame damage is. The research results can provide theoretical reference for fire and explosion resistance research and engineering reinforcement of steel frame structures in the future.

Keywords： fire and explosion; steel frame structure; failure analysis; proportional distance; finite element model

由于人們生活中缺乏安全意識，火災和爆炸作為一種非常規的偶然荷載，隨爆炸的發生而引起各種事故。

國內外學者對火災爆炸作用下建筑結構破壞進行了研究。譚英華[1]利用ABAQUS有限元軟件，數值分析模擬了爆炸與火災共同作用下對鋼梁和門式鋼架的響應行為。Richaedliew等[2]使用ABAQUS有限元分析軟件，對爆炸和火災綜合作用下平面鋼框架進行了數值模擬分析，提出爆炸載荷和火災后鋼框架結構非彈性瞬態分析的數值方法。張秀華等[3]運用LS-DYNA有限元軟件，分別采用beam單元和shell單元對爆炸荷載作用下鋼框架柱的動力響應及破壞模式進行分析，給出了鋼柱的3種破壞模式和影響因素。以上均是未考慮圍護結構在單獨爆炸或火災下結構的破壞研究，但是，火災爆炸通常相伴發生且有圍墻或磚墻等圍護結構。

本文以火災爆炸作用下鋼框架結構為研究對象，借助大型有限元軟件LS-DYNA進行模擬，基于火災和爆炸聯合作用下導出的Q235B鋼J-C-P本構模型[4]，綜合考慮圍護結構時火災爆炸作用下鋼框架結構的破壞。

1? 鋼框架結構的有限元模型

為了分析火災爆炸作用下鋼框架結構的破壞，選取了一棟2層鋼框架結構的公共建筑為研究對象，樓面板和屋面板均為C30鋼筋混凝土材料，其厚度為120 mm[5]。本文鋼框架構件均選用H型鋼Q235B材料，框架梁、柱的平面布置如圖1所示，由于房間尺寸對爆炸波的傳播有著很大影響，因此，柱網分布為6 m×6 m，走廊寬2.4 m，層高為3.3 m[6-7]。取H型鋼梁、柱截面幾何尺寸分別為450 mm×300 mm×12 mm×16 mm和400 mm×400 mm×12 mm×20 mm[8]。填充墻為240 mm厚的混凝土多孔磚，混凝土多孔磚力學參數值[9]見表1。計算簡圖如圖2所示。考慮應變率對鋼材的影響，不同溫度鋼材屈服強度及彈性模量值見表2。

圖1? 鋼框架結構平面布置圖

表1? 混凝土多孔磚力學參數

（a）? 鋼框架模型

（b）? 梁節點模型? ? （c）? 柱節點模型

圖2? 鋼框架結構有限元分析模型

表2? Q235B鋼不同溫度下屈服強度與彈性模量[10]

LS-DYNA中使用關鍵字*MAT_96_BRITTLE_DAMAGE實現鋼筋混凝土材料特性，鋼筋混凝土密度為2 500 kg/m3，彈性模量為30 GPa。鋼筋與混凝土之間共用節點，不考慮滑移作用。

為了量化炸藥的強度，引進“比例距離”這一概念，比例距離z=R/■，R為起爆點與目標點之間的距離；W為炸藥量。取比例距離為z=2.38 m/kg1/3和2.08 m/kg1/3[11]。

2? 火災爆炸作用下鋼框架結構的破壞分析

2.1? 火災爆炸作用發生在邊跨時鋼框架結構的破壞分析

當大于400 ℃時鋼結構材料的力學性能急劇下降，100 ℃時的鋼材力學性能與常溫時基本相同，因此，研究火災溫度為100 ℃和400 ℃時鋼框架在爆炸作用下的損傷程度。

在首層邊跨發生火災時，為了研究框架結構中爆炸波對豎向構件的作用以及對構件損傷程度的影響，保證構件盡可能不發生破壞的情況下，分析z=2.38 m/kg1/3時，柱在100 ℃下速度和加速度隨時間變化的分布規律。如圖3所示。

（a）? 速度時程曲線

（b）? 加速度時程曲線

圖3? 邊跨框架柱速度、加速度時程曲線

由圖3（a）可知，火災爆炸作用下ZZ（1）在0.005 7 s的最大速度為0.267 m/s，隨后軸向速度在0附近波動，而BZ（1）在相同時間速度同樣到達峰值，其值為0.463 m/s，可見兩者軸向速度變化趨勢基本相同，爆炸波在自振作用下的速度呈現往復傳遞的特征，導致速度時程曲線呈波浪式震蕩，爆炸沖擊波在支座處反射時，同樣以基本相同的入射速度進行反向傳播。ZZ（2）和BZ（2）軸向速度到達峰值后迅速反向傳遞，這是由于上部板的存在，爆炸波遇到混凝土板后發生反射，反射波繼而沿柱頂向柱腳傳遞，引起柱的軸向速度為負值。

由圖3（b）可以發現，爆炸在極短時間內更易接觸面積較大的構件，ZZ（2）的軸向加速度為-301.325 m/s2，隨后出現反向最大加速度，BZ（2）的加速度提前達到最值-569.536 m/s2，此時ZZ（2）的加速度已經處在峰值衰減的波動階段，而BZ（1）在0.005 8 s時最大加速度為460.265 m/s2。相比之下，爆炸沖擊力相同時，邊跨角柱的速度、加速度最先出現峰值。由此看來，在比例距離較大時，爆炸波在構件中往復傳遞特性顯著，但不會引起構件破壞。

考慮結構的對稱性，選取半結構構件進行內力分析。圖4給出了BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）跨中水平位移時程曲線。

圖4? 框架柱跨中位移時程曲線

由圖4可知，0.004 5 s前，柱跨中位移為0，說明爆炸波還未傳至柱中，BZ（2）在計算時間內跨中最大位移為2.702 mm，ZZ（2）跨中最大位移為1.881 mm，BZ（1）比BZ（2）跨中位移減小了一半。同時，BZ（1）和BZ（2）發生同向位移，ZZ（1）和ZZ（2）發生同向位移，此外，中柱比邊柱變形大，這是由于兩端均為固接約束時，在爆炸作用下，ZZ（2）上部構件分擔的爆炸沖擊力較多，且隔墻阻礙了爆炸波的擴散，使得爆炸沖擊波的能量更多作用在構件上，從而導致框架內部構件跨中位移較大，因此，BZ（2）和ZZ（2）柱的動力響應較明顯。

當溫度為100 ℃，z=2.38 m/kg1/3時，框架位移云圖如圖5所示。

圖5? 100 ℃框架位移云圖（z=2.38 m·kg-1/3）

由框架位移云圖可見，爆炸波以球面波的形式向周圍擴散，z=2.38 m/kg1/3時，當溫度為100 ℃時，在火災爆炸作用下框架柱出現最大正向位移14.33 mm，此時，板最大跨中位移為29.45 mm，梁ZL（4）和柱BZ（1）、ZZ（1）均發生跨中受彎，由于BL（1）與ZL（1）節點處固接及隔墻的存在，使得兩結構協同發生塑性變形，爆炸沖擊波只對邊跨的中間構件產生較大的動力響應；同時，構件未產生破壞現象，波已經傳播到中跨和隔跨構件，至此，整個框架均承受爆炸沖擊作用。由此可見，BZ（1）、ZZ（1）和ZL（3）均表現出塑性特性，由于爆炸荷載作用下HL（3）受拉導致HL（3）與ZL（3）的連接處出現應力集中作用，爆炸沖擊力未能達到構件的最大屈服應力，而使得邊跨構件能繼續保持工作，爆炸波隨時間變化而布滿整個框架，框架整體未發生破壞現象。

當溫度為400 ℃、z=2.38 m/kg1/3時框架Mises應力云圖如圖6所示。

圖6? 400 ℃框架Mises應力云圖（z=2.38 m·kg-1/3）

由圖6Mises應力云圖發現，隨溫度升高，框架整體應力降低，說明構件單元達到了屈服應力，從而退出工作。BZ（1）軸向最大應力為120.2 MPa和BZ（2）軸向最大應力為166.5 MPa，約是100 ℃時軸向最大應力的2倍，BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）均出現單元失效，BZ（1）和BZ（2）最大位移分別為8.68 mm和10.14 mm，是100 ℃時跨中最大位移的5倍，而BL（1）和HL（1）在爆炸作用下發生側向彎曲，距離梁端0.9 m處單元發生失效，ZL（1）和ZL（4）翼緣發生較大變形，其跨中最大撓度為15.9 mm，梁端破壞。由此可見，溫度使得材料力學性能下降，導致構件的應力隨之增大，抵抗外部荷載的能力減弱，構件的變形增大。0.001 s時，B（1）混凝土板跨中位移為43.17 mm，比100 ℃時增大了2倍，由于BL（1）下的墻上開有窗洞，使得位移減小了3.2 mm，梁柱構件均以塑性變形為主，邊跨構件出現輕微單元消失，由此說明門窗洞口使得爆炸波發生繞射現象導致建筑物中的構件變形減小。框架整體輕度破壞。

基于以上桿件內力的分析，研究受火溫度為100 ℃、z=2.08 m/kg1/3時桿件的損傷程度及框架整體的破壞情況。取框架整體破壞Mises應力分布圖和邊跨位移放大因子為2的細部應力云圖如圖7和圖8所示。

（a）? 0.001 4 s時框架Mises應力云圖

（b）? 0.001 s時框架Mises應力云圖

圖7? 鋼框架Mises應力分布云圖（z=2.08 m·kg-1/3）

由圖7發現，在火災爆炸作用下，相比于z=2.38 m/kg1/3構件提前出現破壞。0.001 4 s邊跨梁柱節點處出現應力集中現象，BZ（1）柱腳最大位移為4.7 mm，BZ（3）柱腳最大位移為2.82 mm，說明比例距離增大，爆炸力對相鄰跨構件受力特性同樣有影響。BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）變形之前，柱端發生相對轉角，單元未立即失效，說明此時柱端出現了塑性鉸。隨爆炸波的傳播，BZ（2）和ZZ（2）靠近炸藥側的跨中翼緣出現單元輕微失效，邊跨仍具有承受外部荷載能力。同時，BL（1）、HL（1）及ZL（1）和ZL（4）在沖擊力作用下水平方向受彎，繼而梁發生彎曲破壞，HL（1）跨中位移較BL（1）的大，B（1）板跨中最大位移62.89 mm，爆炸波傳向相鄰板。一層門窗洞口處發生單元失效；此外，二層構件相應發生位移。鋼框架邊柱與中柱及B（1）房間內的梁損傷嚴重，框架整體嚴重破壞。

綜上所述，比例距離較小時，框架整體未發生破壞；隨比例距離增大，構件嚴重變形，整體破壞越來越嚴重，甚至有倒塌的可能。

2.2? 火災爆炸作用發生在中跨時鋼框架結構的破壞分析

當火災爆炸作用發生在中跨時，為了獲取鋼框架的破壞過程及與工況一的對比，取中跨桿件梁（ZL（8）、HL（2）和ZL（5））、板B（5）和柱ZZ（1，2）（構件平面圖如圖1所示）為研究對象，在比例距離z=2.38 m/kg1/3下取各研究對象的關鍵單元分析構件在火災爆炸作用下的內力變化規律，給出框架的破壞過程及機理。

為了分析框架的破壞情況及爆炸波的傳播分布，圖8給出100 ℃下框架在不同時刻的Mises應力云圖。

由圖8（a）可見，0.004 8 s爆炸波向相鄰跨進行傳播。0.002 3 s時，ZL（7）和ZL（8）翼緣發生變形，跨中最大位移為16.86 mm，梁及柱未發生破壞，節點處應力集中顯著，墻的洞口處出現單元失效現象。與圖6火災爆炸發生在邊跨相比，由于梁節點的連接方式與受力特點及節點處力的分配相同，所以梁的破壞程度及破壞形式基本相同，同時，門洞處的B（5）板跨中最大位移為23 mm，四周也出現了單元消失，最有可能先發生坍塌。圖8（b）0.001 s時，由于走廊兩邊的隔墻作用及走廊內部無墻體，使得爆炸波充分向兩端擴展導致B（5）板發生水平方向破壞，由于B（5）板四邊支承，長邊與短邊之比為2.5，根據板的破壞形態可見，B（5）板表現出雙向板受力特征，跨中位移約是邊跨發生火災爆炸作用時的2倍，且邊跨梁柱節點出現應力集中現象，同時一層隔墻發生49.96 mm的變形。需要指出的是，相比邊跨發生火災爆炸狀況，相同比例距離時，火災爆炸發生中跨的損傷程度較邊跨嚴重。這是因為走廊處的空間較小，且受墻的阻礙，爆炸沖擊波無法向外部快速傳播，導致構件往復受到沖擊作用。因此，火災爆炸發生在中跨時框架整體為中度破壞。

（a）? 0.002 3 s時框架Mises應力云圖

（b）? 0.001 s時框架Mises應力云圖

圖8? 火災爆炸發生在中跨時鋼框架的破壞過程（z=2.38 m·kg-1/3）

綜上所述，比例距離和溫度是影響火災爆炸聯合作用下鋼框架結構損傷程度的重要因素。z=2.38 m/kg1/3時，火災爆炸聯合作用發生在中跨與發生在邊跨相比，框架整體為中度破壞，比邊跨破壞嚴重。

3? 結論

本文結合Q235B鋼J-C-P本構模型，借助LS-DYNA操作平臺，建立兩層鋼框架公共建筑，對比分析爆炸分別發生在邊跨和中跨時，框架結構的破壞機理。經數值模擬發現得出以下現象及結論。

1）爆炸荷載超壓值隨比例距離的增大而減小，桿件單元的失效現象隨比例距離的減小越來越嚴重。可見，比例距離是影響構件損傷的重要因素。

2）當火災爆炸發生在邊跨時，比例距離（z=2.38 m/kg1/3）較小的情況下，構件跨中位移周期較大，鋼材能有效發揮塑性性能，而未出現單元失效情況；隨比例距離的增大，梁柱節點處因應力集中內力值變化顯著。隨溫度升高，柱中發生彎曲破壞和柱端發生剪切破壞，梁發生彎曲破壞，首層邊跨構件出現輕微單元消失，二層梁柱節點處出現應力集中現象，門窗洞口使得爆炸波發生繞射現象導致建筑物中的構件變形減小。

3）當火災爆炸發生在中跨時，在溫度較低的情況下（100 ℃），框架受力平衡，由于隔墻阻礙了爆炸沖擊波的傳播，使得框架整體破壞比火災爆炸發生在邊跨時嚴重。梁的破壞先于柱的破壞，且相同時刻下梁的損傷較為嚴重。

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