火灾作用下钢筋混凝土结构倒塌的数值模拟计算方法研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 火灾作用下钢筋混凝土结构倒塌的 数值模拟计算方法研究 摘要：本文以具有代表性的钢筋 混凝土结构为研究对象，以构件截面温 度场的求解为前提，通过对几种不同的 结构分析软件加以比较、分析，选取有 限元结构分析软件 SAP2000 为工具， 运用等效截面算法对分析模型的截面尺 寸和刚度进行修正，将复杂的火灾作用 下结构的稳定性数值分析等效为常温状 态下进行分析，降低了计算难度。应用 此种方法对一实际建筑火灾倒塌案例进 行数值模拟并比较结果：采用本文所选 取的方法计算量适中，计算结果与实际 比较接近，且具有一定的安全余量的结 论，可针对钢筋混凝土结构进行火灾倒 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 塌的数值模拟分析。 中国论文网 /2/view-12908998.htm 关键词：火灾，钢筋混凝土，结 构倒塌，数值模拟 Abstract:this to has representative of reinforced concrete structure for research object, to widget section temperature field of solution for premise, by on several different of structure analysis software be comparison, and analysis, select limited Yuan structure analysis software SAP2000 for tools, using equivalent section algorithm on analysis model of section size and stiffness for amendment, will complex of fire role Xia structure of stability numerical analysis equivalent for at room temperature State Xia for analysis, reduced has calculation difficulty. Apply this method to a practical case of collapse of building fire numerical simulation and comparison of results: select the method of calculation by this -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 moderate amount, calculated and real close, and concluded with certain safety margin, and numerical simulation analysis for collapse of reinforced concrete structure under fire. Keywords:fire, reinforced concrete, structural collapse, numerical simulation 中图分类号 TM716 文献标识 码B 文章编号 0 引言 火灾作用下建筑物的倒塌是建筑 火灾的次生灾害之一，在火灾的高温作 用下，建筑材料的性能迅速劣化，结构 构件的承载力下降，导致建筑的完整性 遭到破坏，甚至造成建筑物整体或局部 的倒塌，是一种可导致重大人员伤亡和 财产损失的灾害。近些年来，建筑火灾 倒塌事故频发，给人民群众财产和人身 安全带来极大威胁。 本文以构件截面温度场的求解为 前提，通过对几种不同的结构分析软件 加以比较、分析，选取有限元结构分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 软件 SAP200 为工具，运用等效截面算 法对分析模型的截面尺寸和刚度进行修 正，将复杂的火灾作用下结构的稳定性 数值分析等效为常温状态下进行分析， 降低了计算难度。 一、构件升温曲线的确定 建筑构件在火灾下将发生材料恶 化、变形增加、承载力下降等一系列变 化，这些都直接或间接的与温度有关。 因此，研究建筑构件的升温曲线是进行 结构火灾响应分析的基础。 为了统一标准，1912 年国际标准 化组织( ISO834 )建议采用英国提出的建 筑构件耐火试验曲线作为国际标准火灾 升温曲线，以下简称 ISO834 曲线，图 形为一条单调上升的曲线，计算公式为： (1.1) 式中： T0试验炉内的初始温度，； T燃烧开始后 t 分钟时试验炉 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 内的平均温度，； t持续升温时间，min。 而实际火灾的升温曲线与标准升 温曲线是不同的，如图 1.1 。因此，采 用 ISO834 曲线进行结构构件的热力学 性能分析是偏于保守的，而采用数值模 拟的方法确定构件的升温曲线更为科学。 二、构件截面温度场的求解 对于钢筋混凝土结构，由于混凝 土材料的导热性能极差，导热系数仅为 1.221.35W/m ，致使温度在构件 截面上的传播十分缓慢，会形成不均匀 的温度场。 本文建议应用大型通用有限元 ANSYS 软件的瞬态热分析功能 （Transient）进行构件截面温度场的分 析，具体方法是：定义单元类型为 PLANE55 单元，材料定义为混凝土 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 （concrete） ，输入热传导速率、导热系 数、比热、密度等材料参数，选定截面 位置，划分网格为 11cm，然后将升温 曲线加载到模型中，选择分析类型为 Transient，确定温升时间后点击 Solve Current Load Step 上的 OK 按钮，即可 求解。 但是，通过数值模拟的方法求解 构件截面的温度场需要耗费大量的计算 资源和时间资源，文献钢筋混凝土的 高温性能及其计算基于 ISO834 标准 升温曲线给出了不同尺寸的梁、板、柱 的构件截面在不同温升时间的温度场分 布图表，使用起来十分方便，而且误差 在实际工程中也可以被接受。本文建议 跟据实际工程需要选择适合的构件截面 温度场求解方法。 三、火灾作用下结构倒塌的数值 模拟方法研究 本文应用火灾学相关知识，根据 建筑物内火灾荷载和通风条件得到空间 温度场，利用有限元工具 ANSYS 分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 出相关受火构件的截面温度场，同时结 合查取图表确定构件截面温度场的方法， 按照等效截面的算法，对结构分析软件 中的截面、钢筋等参数进行修正，将火 灾作用下结构的数值模拟转化为常温下 进行计算。通过模拟，可以估算出火灾 作用下建筑物可能发生倒塌的时间，使 计算过程大大简化，对实际工程具有一 定的指导意义。 等效截面基本原理是：根据已有 的实验数据和理论结果，可以按照刚度 等效和强度等效的原则把高温截面等效 成常温下的钢筋混凝土构件截面，从而 使整体结构的内力分析、构件的变形和 强度验算采用实用计算方法成为可能。 具体计算方法见文献火灾高温下钢筋 混凝土框架结构内力计算及耐火极限分 析 。 目前应用比较广泛的结构计算分 析软件主要有：PKPM（又称 PKPMCAD） 、广厦 2000、ANSYS 、SAP2000 等，通过笔 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 者大量的调研工作，发现几种结构计算 分析软件有着自己的优缺点，比较结果 见表 1.1。 通过对几种不同结构计算分析软 件的比较、分析，发现 SAP2000 在模 型输入难易程度、提供模型种类、温度 耦合能力、结构分析能力、图形显示能 力和计算资源需求等几个方面都有明显 的优势，因此本文建议采用有限元 SAP2000 软件作为火灾作用下钢筋混凝 土结构倒塌数值模拟的工具。 有了分析功能强大且计算资 源需求适中的有限元 SAP2000 工具， 利用等效截面的算法，我们就可以实现 将火灾作用下结构的数值模拟转化为常 温下进行计算。 四、算例验证 本节以某仓库火灾倒塌案例为算 例，采用第 3 节的计算方法对这一结钢 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 筋混凝土构进行数值模拟。 为了比较 ISO834 标准升温曲线 和 FDS 火灾模拟升温曲线确定构件截 面温度场对结构数值模拟计算的差异， 温度场的导入环节分别采用两种方法分 别计算，之后对计算结果进行比较。 1、案例基本情况 某建筑材料市场仓库火灾，仓库 原设计功能为办公楼，后未经消防部门 批准，擅自改变使用功能作为建材库房 使用。起火房间内堆放大量可燃装饰材 料，无自动消防设施。火灾原因为可燃 物上方日光灯镇流器故障打火引燃可燃 材料引发大火。起火 20 分钟后仓库业 主发现起火，为抢救物资，将房间门开 启。由于报警晚，大火持续燃烧 2 小时 左右，位于可燃物上方的承重梁坍塌， 进而引起屋面的大面积坍塌。由于现场 指挥员处理得当，倒塌事故未造成人员 伤亡。 2、建筑基本情况 某建筑材料仓库，钢筋混凝土框 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 架结构，混凝土强度等级 C25，建筑层 数地上 2 层，建筑面积 871.1m2，层高 3.2m，室内外高差 0.45m。构件截面尺 寸：柱 500500mm、梁 300650mm、 梁 300600mm，梁 L1 配有 6 根直径 22mm 的二级钢筋，钢筋保护层厚度为 30mm,如图 4.1、4.2、4.3 所示。 3、确定构件升温曲线 ISO834 标准升温曲线（如图 1.1） 应用 FDS 火灾动力学模拟软 件模拟计算构件升温曲线 火灾条件 起火房间为-轴、B-C 轴之间 房间，建筑面积 46.8 平方米，房间内堆 放六垛带有聚氨酯泡沫包装的实木地板， 起火前房间门处于关闭状态，起火后由 于户主抢救物资门被打开，改善了通风 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 条件，由通风控制燃烧转化为燃料控制 燃烧。 模型建立 根据案例实际尺寸，应用 FDS 设计尺寸为 27.3m15m3.2m 的火灾场 景，网格尺寸设置为 0.20.2，模拟火 灾延续时间 9000 秒，内墙、梁、柱、 楼板均采用混凝土材质；根据案例起火 原因设置火源位于可燃物上方，热释放 速率设为 1000KW/m2，根据 1200 秒时 刻房间门打开设置通风边界条件；设置 9 个温度探测点分别位于承重梁和承重 柱。所有物质及参数均按照 NIST 发布 的数据进行设置。 构件升温曲线 根据 FDS 模拟计算结果，得到 如图 4.4 所示的 5 根承重梁和 4 根承重 柱的升温曲线。 4、确定构件截面的温度场 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 根据 ISO834 标准升温曲线查 表获得截面温度场 查阅文献29 提供的温度场分布 图表，获得 t1=5000 秒时刻梁、柱的截 面温度场，如图 4.5 所示。 根据 FDS 模拟升温曲线运用 ANSYS 软件计算获得截面温度场应用 FDS 得到的构件升温曲线运用 ANSYS 进行构件如图 4.6 所示。 5、计算等效截面尺寸 运用等效截面方法应用查表和 ANSYS 模拟方法分别计算 t1=5000 秒 时刻构件的强度等效截面（刚度等效截 面略） ，如图 4.7、4.8 所示。 6、应用 SAP2000 进行数值模拟 将可燃物上方承重梁的等效 T 形 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 截面和其他构件的等效截面输入 SAP2000 结构模型中，进行数值模拟分 析。 参数调整：受火高温构件 L1、L2、L3 、 L4、L5、Z1、Z2、Z3、 Z4 尺寸按等效截面尺寸输入，配筋按 所在位置的温度按文献高温(火灾)下 混凝土与 （4.1） 钢筋的本构关系提供的公式 （4.1）进行折减后的面积输入，其余构 件尺寸、配筋和参数不变，如图 4.9 所 示。 荷载组合：结构的荷载主要包 括恒荷载、活荷载和偶遇荷载。作为对 实际案例的工程模拟，恒荷载为结构自 重带来的荷载，活荷载为可燃物荷载， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 分项系数和组合系数均取 1.0。对于其 他荷载如风荷载、雪荷载、地震荷载等， 由于考虑大风、大雪、地震等偶遇灾害 与火灾共同发生的几率极小，故不考虑 其荷载组合。楼面活荷载取 5 KN/m2。 运用查表计算得到的等效截面 进行结构数值模拟计算 将通过查表获得温度场求得的受 火构件的刚度等效截面和强度等效截面 输入到 SAP2000 结构模型中进行变形 和内力的数值模拟计算，得到结构变形 图、弯矩图和配筋图，如图 4.10、4.11、4.12 所示。 运用 FDS 方法求得等效截面 进行结构数值模拟计算 将通过 ANSYS 数值模拟获得温 度场求得的受火构件的刚度等效截面和 强度等效截面分别输入到 SAP2000 结 构模型中进行变形和内力数值模拟计算， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 得到结构变形图和内力图，如图 4.13、4.14、4.15 所示。 7、调整火灾延续时间至 t2=6000 秒，应用 ANSYS 模拟计算构件温度场 的方法重复步骤 4-6，得到 t2=6000 秒 时刻的构件截面温度场、等效截面、结 构变形图、弯矩图和配筋图，如图 4.16、4.17、4.18、4.19、4.20 所示。 8、根据计算结果判断结构发生 倒塌 由结构数值模拟计算结果依据结 构稳定性判断标准得出： 在 t1=5000 秒时刻，通过查表 获得温度场得出等效截面进行的结构稳 定性演算结果中，位于可燃物上方承重 梁 L1 的极限承载力无法承受结构计算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 出的内力，表明构件发生破坏，即结构 在火灾延续时间 t1=5000 秒时，结构发 生倒塌。 而通过 FDS 模拟计算获得温度 场得出等效截面进行的结构稳定性演算 结果中，位于可燃物上方承重梁 L1 的 极限承载力大于结构计算出的内力，证 实结构在 t1=5000 秒时刻完好，未发生 任何破坏。 在 t2=6000 秒时刻，通过 FDS 模拟计算获得温度场得出等效