网壳结构火灾行为的数值模拟.pdf

北京工业大学 硕士学位论文 网壳结构火灾行为的数值模拟 姓名：刘明友 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：王海忠 20090501 摘要 曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! ! ! 量曼曼曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼j mm 。鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼寡 摘要 网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成的空间结构，多用于长 时间处于人员密集状态的建筑物中，如商场、学校等。如果建筑物发生火灾，网 壳结构在人员安全撤离前发生坍塌，将可能造成大规模的人员伤亡和重大的财产 损失。 然而，目前对于网壳结构的研究主要集中在结构的静动力特性及设计方法和 施工方法上，对其抗火性能的研究还很少。因此，有必要对网壳结构的抗火性能 进行系统深入地研究，以确保其在火灾发生时，具有足够的抗火性能。 本文首先采用三维实体单元模拟焊接空心球节点，采用弧长法对其在不同 温度条件下的焊接空心球节点的温度场进行了分析，并且比较了不同焊接空心球 节点的球径、壁厚等对其抗火性能的影响。 其次，采用a n s y s 有限元分析软件建立网壳整体结构有限元分析模型，通 过进行热一结构多物理场耦合的分析，得到了结构的极限抗火时问，以及变形随 时间的关系，同时研究了包括结构跨度、矢跨比、边界支承条件在内的多种因素 对网壳结构抗火性能的影响。 通过本文的计算，对焊接空心球节点在升温条件下的温度场分析为衡量节点 抗火性能提供了依据：通过研究网壳结构的整体抗火性能及其影响因素，对于工 程实际具有一定的指导意义。 关键词：网壳结构抗火性能温度场热一结构耦合分析 北京州k 人学1 i 学硕十学伊论文 a b s t r a c t r e t i c u l a t e ds h e l li st h es p a t i a ls t r u c t u r eo fab a rd i s p o s e da l o n gt h es u r f a c e r e g u l a r l y , w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h eb u i l d i n g so fc o n d e n s e dh u m a ni nl o n gt i m e ， s u c ha ss t o r ea n ds c h o o l ，e t c i ft h er e t i c u l a t e ds h e l ls t r u c t u r ec o l l a p s e si nf i r eb e f o r ep e o p l el e a v et h eb u i l d i n g s a f e l y , i tw i l lc a u s el a r g e - s c a l ec a s u a l t i e sa n dl o s so fp r o p e r t i e s h o w e v e r , a tp r e s e n tt h er e s e a r c ho fr e t i c u l a t e ds h e l ls t r u c t u r em o s t l yf o c u so n i t s s t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e sa n di t sd e s i g nm e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o nw a y s t h e r ei sl i t t l es t u d yo ni t sf i r e - r e s i s t a n c ep r o p e r t i e s ；t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o m a k eap r o f c i u n ds t u d yo nf i r er e s i s t a n c eo fr e t i c u l a t e ds h e l l ，i no r d e rt om a k es u r e t h a tt h es t r u c t u r eh a se n o u g hf i r e - r e s i s t a n c ep r o p e r t i e sw h e nt h ef i r et a k e sp l a c e f i r s t l y , s o l i de l e m e n ti su s e dt os i m u l a t et h ew e l d e dh o l l o ws p h e r i c a lj o i n t s ，a n d a r c 1 e n g t hm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ew e l d e dh o l l o w s p h e r i c a lj o i n t s ，a n dt h ei n f l u e n c eo nf i r e - r e s i s t a n c ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tr a d i u sa n d t h i c k n e s so ft h ew e l d e dh o l l o ws p h e r i c a lj o i n t s s e c o n d l y , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a ma n s y s i su s e dt oe s t a b l i s hw h o l e s t r u c t u r em o d e lo ft h er e t i c u l a t e ds h e l ls t r u c t u r e w i t ht h e r m a l s t r u c t u r a lc o u p l e d f i e l d a n a l y s i s t h el i m i tf i r e r e s i s t a n c et i m ea n dt h ed e f o r m a t i o no v e rt i m eo fr e t i c u l a t e d s h e l ls t r u c t u r ea r eo b t a i n e d t h ef i r er e s i s t a n c e so ft h er e t i c u l a t e ds h e l ls t r u c t u r ew i t h d i f f e r e n ts p a na r ec o m p a r e d ，a n dt h ei n f l u e n c e so fr i s e s p a nr a t i o ，s u p p o r tc o n d i t i o n a n ds oo na r es t u d i e d t h ea n a l y s i so ft h ew e l d e dh o l l o ws p h e r i c a lj o i n tu n d e ra s c e n d i n gt e m p e r a t u r e p r e s e n t se v i d e n c e st oe v a l u a t ei t sf i r er e s i s t a n c ep r o p e r t y 、m t ht h ea n a l y s i so ft h e r e t i c u l a t e ds h e l ls t r u c t u r e t h ef i r er e s i s t a n c ea n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r ep o s s e s s e d ， a n di tc a nb eu s e dt og u i d ep r a c t i c a lp r o j e c t s k e yw o r d s ：r e t i c u l a t e ds h e l lf i r e r e s i s t a n c ep r o p e r t i e st e m p e r a t u r ef i e l d t h e r m a l - s t r u c t u r ec o u p l e d - f i e l da n a l y s i s u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：副词定日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 瘟王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：哟田表导师签名：l f 西芒l 日期： 第l 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 各种建筑物是人们生产生活的主要场所。人们在生产和生活中，由于各种自 然或人为的原因( 自然起火、人为纵火、用火不慎、电器设备电线老化、违反安 全操作规程等) ，经常引起火灾。在危害建筑物的诸多因素中，火灾是比较严重 的一种。每年火灾给世界带来的损失十分惊人。火灾是指失去控制的火在其发展 蔓延过程中给人类的生命财产造成损失的一种现象，火灾发生的频率居各灾害之 首，火灾造成的损失约为地震灾害的5 倍。据统计，2 0 0 2 年我国共发生火灾 2 5 4 8 11 起，死亡2 4 9 7 人，伤3 0 9 8 人，造成直接财产损失1 5 9 亿元。如何降低 火灾的发生和火灾带来的损失是我们所面对的一大问题。 空间结构与平面结构相比，具有很多独特的优点，譬如空问受力、重量轻、 造价低、抗震性能好等，因此，在国内外应用非常广泛。空间结构中承重构件多 使用钢材。钢材的一个致命弱点是不耐火，高温下钢材的性能会有很大的变化。 温度为4 0 0 的时候，钢材的屈服强度将降低至室温下强度的一半，温度达到 6 0 0 ，钢材基本上丧失全部强度和刚度，而一般火场的温度多为8 0 0 1 0 0 0 ， 所以当没有采取防火保护的时候，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏，国内外 这方面的例子很多：1 9 6 7 年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被 烧塌：1 9 7 0 年美国5 0 层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲 l o o m m 左右：1 9 7 3 年天津市体育场发生火灾，1 9 m n i 内结构即发生倒塌：2 0 0 1 年， 美国世贸中心双塔楼遭受飞机撞击后发生大火，火灾使室内温度高达8 0 0 。c 1 4 0 0 ，被撞部分的钢结构体系因高温作用而失效导致大厦坍塌。 在空间结构中，发展最快、运用最广的结构又属网壳结构。网壳结构是杆件 沿曲面有规律的布置而组成的空间杆系结构，其受力特点与薄壳结构类似，是以 “薄膜”作用为主要受力特征的，即大部分荷载由网壳杆件的轴向力承受。由于 它具有刚度大、自重轻、杆件单一、施工安装方便、造型美观、可以覆盖较大的 空间和综合技术指标好等一系列优点，这种结构有着广阔的发展前景。 网壳结构以其发展顺序可以分为以下几类：( 1 ) 肋环型球面网壳和施威德勒 型球面网壳，这是德国被誉为“弯顶结构之父”的工程师施威德勒发展完善的：( 2 ) 联方型球面网壳：( 3 ) 凯威特型球面网壳：( 4 ) 短程线型球面网壳。网壳结构在我国 起步较晚，但是发展很快。其中由煤炭部太原煤矿设计研究设计的山西樱山洗煤 北京。l ：业大学t 学硕十学何论文 厂储煤仓顶盖，采用了单层联方型球面网壳，直径5 2 8 m ，矢高1 4 5 9 8 米，这是 我国最早建成的最大跨度的单层球面网壳：1 9 9 4 年建成的天津新体育馆，平面为 圆形，直径1 0 8 m ，挑檐1 3 5 m ，总直径达1 3 5 m ，曾是我国圆形平面跨度最大的球 面网壳：还有中国国家大剧院的双层钢网壳：以及用于2 0 0 8 年奥运会跨度均在 2 0 0 m 以上的国家体育场和游泳中心等。这些建筑气势宏伟、造型美观，在城市里 形成了一道遣亮丽的风景线。 随着我国经济发展国力增强，网壳结构理论与施工技术的进一步完善，网壳 结构的应用同益增多，且结构形式逐渐多样化，跨度越来越大，厚度越来越薄。 但与此同时，结构的抗火问题也突出起来。由于网壳结构多用于商场、学校等长 时间处于人员密集状态的建筑物，如在火灾中，人员安全撤离前发生倒塌，将造 成大规模的人员伤亡和重大的财产损失。因此，有必要对网壳结构的抗火性能进 行深入研究，以确保在火灾发生时，其具有足够的抗火性能。 1 2 研究现状 1 2 1 网壳结构研究现状 随着我国经济和建设事业的迅猛发展，网壳结构因其受力合理、用料经济、 造型美观多样、能覆盖较大空间，成为发展前景广阔的一种空间结构形式。尤其 是近二十年来，网壳结构的应用日益增多，且结构形式逐渐多样化，跨度也越来 越大。 目前，网壳结构的分析通常包括静力分析、动力分析和稳定分析三个部分。 一百多年来，网壳结构不仅在工程应用上取得了迅猛发展，随着计算机技术的日 新月异，网壳结构在结构分析理论上也取得巨大突破，经历了从连续化向离散化 发展变化的历程。目前，网壳结构分析的常用方法有根据连续化假定的拟壳法和 根据离散化假定的有限单元法两类，这些方法对网壳结构分析有很大贡献，也推 动了网壳结构分析方法的新发展。 在网壳结构静力分析方面，方法主要有以下几种： ( 1 ) 平面拱计算法。 ( 2 ) 有限元法，主要是空间梁元法或称空间刚架位移法和空间析架位移法。 ( 3 ) 拟壳法，这是一种连续化的分析方法。 ( 4 ) 样条综合离散法。 到目前为止，网壳结构的静力分析方法己经从基于连续化假定的拟壳法发展 为基于离散化假定的杆系结构的矩阵位移法和有限单元法，同时伴随着各种空间 第1 章绪论 结构计算软件的应用，网壳结构的静力分析己趋于成熟，网壳结构的线弹性特性 可以得到非常高的精确度。 在网壳结构动力分析方面乜儿引，通过探讨了结构失效的特点，从宏观和微观角 度，综合多项指标给出结构强震失效的判别方法。并且在频域响应分析的基础上 阐述了网壳结构动力作用的特点，总结了单层球面网壳的地震下的破坏特征及失 效机理。 在网壳结构稳定分析方面5 。，主要考察了初始缺陷和荷载不对称分布，支承 条件等因素对网壳结构弹塑性稳定性能的影响，着重研究考虑材料非线性后网壳 极限承载力的变化规律，目的是得到网壳的弹塑性极限承载力。 1 2 2 结构抗火问题的研究现状 国内外对结构抗火问题的研究主要包括以下几个方面儿7 1 ：室内火灾的升温 过程；结构构件内部升温过程，包括有防火被覆和无防火被覆；常用材料在高温 下的材料性能研究：高温条件下结构和构件的极限承载力研究。 ( 一) 室内火灾的升温过程 室内火灾燃烧的过程一般分为三个阶段：形成期、发展期和衰减期呻1 。火灾 燃烧模型、温度传播也进行了一定的分析悖m 儿川。常用的室内火灾温度一时间曲线 包括以下三种： ( 1 ) 标准温度一时间曲线 为了对受热构件的破坏模式有一个统一认识，同时出于对规范的需要，对构 件抗火程度进行统一分级，1 9 9 1 年国际标准化组织制定了i s 0 8 3 4 标准升温曲线， 美国和加拿大采用的为a s t m e 1 1 9 标准升温曲线。i s 0 8 3 4 标准升温曲线公式没有 考虑火荷载、受火房间几何参数和热工参数等因素，与实际火灾差别比较大。但 是由于其表达式简单，对于燃烧炉控制比较方便，已被大多数国家研究者采用。 ( 2 ) 等效爆火时间 为了更好的反应真实火灾对构件的破坏程度，而又保持标准升温曲线的真实 性，以等效爆火时间代替标准升温曲线的时间坐标t ，通过等效爆火时间将真实 火灾与标准火联系起来。 ( 3 ) 室内自然火灾的温度一时间曲线 室内自然火灾的温度一时间曲线最符合实际情况，但由于其本身难以确定， 因而尚未得到广泛应用。此外，大空间建筑火灾中升温过程是目前国内外研究的 热门方向，对大空间建筑火灾中温度及烟气的传播已进行了一定的实验和理论研 究1 2 3 制，认为大空间内的烟气填充过程基本上仍可用火灾区与模型描述，不过 模型的若干参数应根据大空间存在的受限程度加以修正。 北京1 - 业大学t 学硕十学何论文 ( 二) 结构构件内部升温过程 在火灾作用下，结构构件的温度会因为热辐射及对流作用而随环境温度的升 高而升高。在求解构件温度时，对于均匀受火的较轻的钢构件，一般假定其截面 温度均匀，这种情况将无保护层和有保护层构件分别加以考虑。对于重型钢构件 或非均匀受热构件，则应按截面温度非均匀分布考虑。同济大学通过曲线拟合得 出了标准升温条件下钢构件升温公式。对于截面温度非均匀分布的构件同济大学 和清华大学分别编制了有限元传热分析程序。 为了方便工程设计人员应用，针对工程实际情况，在实验或参数分析的基础 上，各国标准都对常见的构件形式提出了一些简单的方法。英国规范( b s 5 9 5 0 ： p a r t 8 ) 根据各种梁和楼板连接的不同做法，将梁截面划分成几个温度均匀分柿 的区域，以表格形式给出了在i s 0 8 3 4 标准升温条件下各区域的温度差。对于由 于不同材料造成的温度非均匀分布国内同样进行了深入的研究。通过有限元法和 实验法对钢管混凝土构件火灾下温度场分布进行了系统研究，并得到了适用工程 的计算公式n 朝n6 j 。采用有限差分法和实验方法对钢一混凝土组合楼盖中的温度分 布进行了研究，得到了组合楼盖的温度分布情况n “ 引。 ( 三) 钢结构及混凝土结构材料在高温下的材料性能研究 钢结构材料在高温下的材料性能国外研究以欧洲规范e c c s 为代表。各国分 别对高温下钢材的导热系数、比热、热膨胀系数、密度、应力一应变关系、屈服 强度和弹性模量等性能进行了研究。除高温下钢材的密度各国均认为其值随着温 度的升高变化不大，其他各参数各国规范的取值往往存在很大差异u 明叫2 羽。与此 同时，国外相关规范给出了高温下混凝土材料的热工性能和力学性能的简化计算 公式1 。1 。 我国有关钢结构材料在高温下的力学性能的研究近年来也不断的发展，同济 大学和清华大学对钢筋做过高温下的力学性能的研究；同济大学对q 2 3 5 钢、1 6 m n 钢和薄壁型钢材的高温力学性能进行了研究。分别对s m 4 1 、q 3 4 5 、2 0 m n t i b 等高 强度钢材的高温性能进行了一定的实验研究乜3 2 4 l 。我国对于混凝土材料高温性能 的研究从2 0 世纪8 0 年代末开始，同济大学、清华大学、西南交通大学和哈尔滨 建筑大学等单位对高温中及高温后混凝土的材 料性能进行了大量的研究，取得了丰硕成果，尽管试验数据相对离散，但总 体趋势仍有一定规律性乜5 捌。 ( 四) 火灾下构件及结构抗火性能研究 国外针对高温下构件和结构极限承载力的理论和实验研究开展得比较早，研 究对象包括构件，节点和整体结构等乜7 卜h 。早在1 9 2 5 年，美国中央标准局就进 行了柱的高温测试项目，1 9 3 2 年，英国也开始了针对单根构件的受火试验。 第1 章绪论 1 9 9 5 1 9 9 8 年英国钢铁公司进行了著名的卡丁顿试验，获得了大量关于整体结构 火灾反应的资料。a s i fu s m a n i 给出了单根构件火灾下分析的一些基本要素，并 给出了考虑不同约束，不同温度梯度和荷载分布的简单计算公式。由于试验研究 的周期长、费用高，以及计算机软硬件的快速发展，结构抗火研究已经开始从基 于试验的方法转为基于有限元分析的方法。早在上个世纪7 0 年代，国外就有很 多学者采用一些数值方法来分析高温下钢框架受力性能。 我国的抗火研究虽然开展较晚，但也取得了一定的成果。对钢梁、钢柱和钢 框架的抗火性能作了大量的理论和实验研究。与此同时，对混凝土构件及结构的 抗火性能进行了研究h 2 捌。各种组合结构及构件的抗火研究也得到了一定的成 果，对钢一混凝土组合楼盖的抗火性能进行了有限元分析和实验研究，验证了分 析理论和计算程序的可靠性h 4 j 。 1 3 现存问题及论文主要研究工作 1 3 1 现存问题 对于网壳结构的研究大多集中于其静力作用下的结构性状、抗震性能的分析 上、网壳结构稳定性，对于其抗火性能的研究很少。通过模拟预测实际火灾特性 和空问网格结构的非线性有限元分析，求得直到倒塌时的结构抗火全过程响应， 并确定结构的临界温度状态和整体结构的抗火时间极限h 引。通过研究双层球面网 壳的抗火性能，首先是对火的分析及单个构件的抗火力学性能分析：然后是对钢 网壳结构进行抗火分析h 6 1 。通过对导热微分方程进行数值求解，确定了结构钢构 件内部的温度场。在此基础上，采用非线性有限元方法分析了空间网壳结构的火 灾反应h7 l 。研究火灾烟气对国家大剧院壳体钢结构的影响，运用场模拟和经验公 式相结合的方法，计算了火灾时公共大厅的温度场分布h 引。 对于网壳结构抗火性能的研究还存在以下问题： ( 1 ) 焊接空心球节点具有薄壁、轻质的特点，广泛的应用于以网架、网壳 结构为主的各种空间结构。但是，由于焊接空心球节点采用耐火性能较差的钢材 作为母材，且为薄壁，因此其受力性能受高温( 火灾) 条件的影响较大，从而在 很大程度上影响着整体结构的抗火性能。然而，目前对于焊接空心球节点高温性 能的研究还处于停滞阶段，没能为焊接空心球节点在高温( 火灾) 条件下的设计 提供依据。 ( 2 ) 对于网壳结构的研究主要集中在结构的静动力特性、稳定性及施工方 法上。对于网壳结构整体的抗火性能还没有人进行专门的研究。 北京1 ：业人学i ：学硕十学位论文 1 3 2 本文的主要研究工作 针对以上存在的问题，本文主要的研究工作如下： ( 1 ) 本文首先采用三维实体单元模拟焊接空心球节点，对其在不同温度条件 下的焊接空心球节点的温度场进行了分析，并且比较了不同球节点半径、厚度等 对其的抗火性能的影响。 ( 2 ) 采用a n s y s 有限元分析软件建立网壳整体结构模型，通过热结构多物 理场耦合的分析，得到了结构的极限抗火时间，和变形随时间的关系。 ( 3 ) 研究了包括结构跨度、矢跨比、边界支承条件在内的多种因素对网壳结 构抗火性能的影响。比较局部火灾与整体火灾下网壳抗火性能的差异，进行不同 温度下的网壳稳定承载力的计算。 第2 章钢的高温材料特性及火灾升温曲线 第2 章钢的高温材料特性及火灾升温曲线 温度对钢材的材料特性及力学性能有很大的影响，在高温作用下，钢材的材 料特性与常温状态下有很大不同，同时，钢结构构件的导热系数、比热容、弹性 模量和强度等都表现出与常温下截然不同的性能。进行结构火灾分析，首先要明 确火灾的发生过程，模拟出结构室内火灾模型和确定出室内空气的升温过程。本 章系统的总结了高温下的钢材性能包括物理性能和力学性能，和室内火灾升温曲 线、和实用大空间空气升温经验公式。 2 1 高温下结构钢的物理特性 2 1 1 钢材的热膨胀系数 当温度升高时，钢构件要发生膨胀。对截面温度均匀分布的静定结构而言， 热膨胀只对变形有影响，不会产生附加内力。但结构和构件的膨胀受到约束时， 就会产生附加内力，在进行结构反应分析时，必须考虑这种影响。 欧洲规范推荐的结构钢的热膨胀与温度的关系式为n 叼 ，= 1 2 1 0 - 5t + 0 4 1 0 8t 2 2 4 1 6 1 0 - 42 0 t 7 5 0 ( 2 - 1 ) ，= 1 1 1 0 - 22 0 t 8 6 0 ( 2 1 a ) ，= 2 1 0 一6 2 1 0 刁8 6 0 t 1 2 0 0 ( 2 - 1 b ) 式中 ，为2 0 时构件的原始长度。 ，为由于温度升高引起的构件的伸长。 欧洲钢结构协会( e c c s ) 推荐的结构钢与温度的关系式为啪1 a i ，= 0 4 x 1 0 8 t 2 + 1 2 l o 一5 丁一3 x 1 0 - 4( 2 - 2 ) e c c s 同时还给出了平均热膨胀系数 口= 1 4 x 1 0 5( 2 3 ) 英国规范b s 5 9 5 0 采用的平均热膨胀系数与e c c s 建议采用的系数相同。 北京：业大学t 学硕十学位论文 日本采用的平均热膨胀系数为n 刚 口，= ( 1 1 o + 5 5 7 1 0 。t ) 1 0 _ 6 ( 2 - 4 ) 美国a i s c 采用的平均热膨胀系数为咖1 口，= ( 1 1 0 + 0 6 2 t ) 1 0 。6 ( 2 5 ) 澳大利亚规范a s 4 1 0 0 采用的平均热膨胀系数畸订 口。= ( 11 0 + 0 0 1 t ) 1 0 。6 ( 2 - 6 ) 中国的钢结构设计规范g b j 5 0 0 1 7 2 0 0 3 采用的平均热膨胀系数为常数畸2 1 口。= 1 2 1 0 5 ( 2 7 ) 可以看到，除美国规范外，各国建议的热膨胀系数的取值差别不大，e c c s 及 b s 5 9 5 0 推荐的常数值与各国推荐热膨胀系数的平均值比较接近，并且将热膨胀 系数取为常数可以使计算大大简化，本文采用式( 2 - 3 ) 来计算热膨胀应变。 2 1 2 钢材的比热容 比热容是指其单位体积内所储存的热量，当其所吸收的热量一定时，比热容 越高，材料的温度上升就越小。组成钢材的铁、碳和锰、硅等其他各种合金元素 的比热容各不相同，因此，各种不同品种和合金含量的钢材其比热容值也不相同。 一般情况下，它们都随温度的升高逐渐增大，但相差幅度较小。 e c c s 建议和英国规范b s 5 9 5 0 ：p a r t 8 均采用常数： c 。= 5 2 0j ( k g ) ( 2 - 8 ) 日本采用的比热为乜 c = 4 8 3 + 8 0 2 1 0 。4t 2 j ( k g )( 2 - 9 ) 欧洲规范e u r o c o d e 3 瞳2 1 提出的结构钢随温度变化的比热为 c 。= 4 2 5 + 7 7 3 1 0 t 一1 6 9 1 0 3 t 2 + 2 2 2 1 0 6t 3j ( k g ) 2 0 t 6 0 0 ( 2 1 0 ) 铲6 6 6 + 器 c ，= 5 4 5 + f 1 7 8 面2 0 c ，= 6 5 0 j ( k g ) j ( k g )6 0 0 。c t 7 3 5 ( 2 - 11 ) j ( k g )7 3 5 。c t 9 0 0 9 0 0 t 1 2 0 0 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 第2 章钢的高温材料特性及火灾升温曲线 可以看到，日本所采用的比热计算公式在7 0 0 。c 以下与欧洲规范所采用的公 式比较接近，而欧洲规范在8 0 0 。c 以上与e c c s 矛d b s i 推荐值比较接近。总之， 4 0 0 。c 以上按照e c c s 和英国规范将比热取为常数与实际差别较大。本文采用欧洲 规范推荐的公式。 2 1 3 钢材的导热系数 钢材的导热系数后。，是单位时间内单位长度每升高l 所需的热量，纯铁的 导热系数比较大，钢材随含碳量和合金量的增多，导热系数逐渐减小。合金含量 较多的钢材，导热系数随温度升高缓慢增长，碳钢和低合金钢的热传导系数随温 度升高单调减小，变化率逐渐变小。钢材的导热系数一般在2 8 5 5 w ( m ) 之 间，约为混凝土的5 0 倍、蛭石的5 0 0 倍，由此也可看出，钢结构的抗火性能要比 混凝土结构差很多。 日本采用的计算公式： 尼= 5 2 8 5 0 5 1 0 。5 丁2w ( m )( 2 1 4 ) 英国规范b s 5 9 5 0 取常数瞳门 七。= 3 7 5 w ( m )( 2 一1 5 ) 欧洲规范e u r o c o d e 3 乜2 1 提出两种热传导系数取值方法： 一种是随温度变化的热传导系数为 k ，= 5 4 - 3 3 3 1 0 - 2 t w ( m ) 2 0 。c t 8 0 0 后，= 2 7 3 w ( m ) t 8 0 0 。c 另一种不随温度变化的热传导系数为 ( 2 - 1 6 ) ( 2 一1 7 ) 红= 2 7 3 w ( m )( 2 1 8 ) 可以看到，欧洲规范推荐的分段函数式的热传导系数更接近于各国规范的平 均值，本文采用欧洲规范所推荐的热传导系数。 2 1 4 钢材的密度 北京f ：业人学t 学硕十学何论文 钢材的密度随温度的变化并不大，根据我国钢结构设计规范 ( g b 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) ： p = 7 8 5 0 堙m 3 ( 2 1 9 ) 2 2 高温下结构钢的力学性能 钢材的强度和变形性能都随着温度的升高而发生急剧的变化，影响这种变化 的因素很多，包括钢材的种类、荷载水平、升温速率、高温蠕变等。只有通过试 验的方法才能获得对高温下钢材力学性能的准确描述。目前，许多国家都提出了 本国的力学性能模型。 2 2 1 泊松比 结构钢的泊松比受温度的影响较小，普遍认为高温下结构钢的泊松比可取与 常温下相同。即： l ，= 0 3 ( 2 2 0 ) 2 2 2 高温下钢材的弹性模量和强度 当温度升高时，决定钢材特性的重要特征不仅有比热容、导热系数等热物理 特性，还有强度、弹性模量等重要的力学特征。这些特性直接反映了钢材在高温 下的安全特性。 国内外已有很多关于这一方面的研究。 早在1 9 8 9 年、1 9 9 2 年同济大学陆洲导、清华大学时旭东、同济大学的胡克 旭就对钢材的高温材性进行了试验研究。1 9 9 6 年，清华大学的吕彤光进行了i v 级钢筋的强度和变形试验研究，上海交通大学的赵金城采用恒温加卸载的试验 方法得到不同温度下忽3 5 钢材的弹性极限和初始弹性模量、有效屈服强度，并同 国外规范及其他文献的数值进行了比较。蛩j 2 0 0 0 年，由同济大学的李国强等人编 写了建筑钢结构防火设计规程，使钢结构防火计算初步走上了规范化的道路。 国外学者在十几年前就对结构钢材高温下的力学性能进行了系统的试验研究。以 试验结果为基础，许多国家和地区的结构抗火设计规范中都规定了t l 己的高温材 笫2 章钢的高温材料特性及火火升温曲线 性模型，如欧洲标准委员会c e n 模型n 引、英国规范b s i ( b r i t i s h s t a n d a r d s i n s t i t u t i o n ) 模型瞳、e c c s ( 欧洲钢结构协会) 模型乜刳、澳大利亚a s 4 1 0 0 等。 试验结果表明，当钢材的温度在2 5 0 以下时，钢的弹性模量和屈服强度变 化不大；当温度超过2 5 0 时，即发生所谓的“塑形流动”，超过3 0 0 。c 后，弹性 模量和屈服强度明显减小。 对于高温下钢材的屈服强度和弹性模量，目前国际上并无统一认识。e c c s 、 英国规范b s 5 9 5 0 ：p a r t 8 、澳大利亚规范a s 4 1 0 0 、欧洲规范e u r o c o d e 3 等均提出 了高温下钢材的屈服强度和弹性模量的模型。在我国，2 0 0 0 年由同济大学的李国 强等人编写了建筑钢结构防火设计规程，使我国的钢结构防火设计有了初步的依 据。 欧洲钢结构协会给出钢的屈服强度及弹性模量随温度变化的公式为乜0 ： 争- 1 + 熹 o z 6 0 0 0 c ( 2 - 2 1 ) 7 6 7 l 六 n ( l 1 7 5 0 ) 5 等圳8 c 一志m t 卅。，6 0 0 0 c i 钏o o o c 浯2 2 ， 曼e = - 1 7 2 x l o 1 2 t , 4 + 1 1 8 x l o 一9 0 3 4 5 x 1 0 - t t ? + 1 5 9 1 0 一5 z + 1 o 互1 0 0 0 。c ( 2 2 3 ) 式中： f 常温下结构钢的屈服强度，n m m 2 f ，温度z 时结构钢的屈服强度， n m m 2 e 常温下结构钢的材料弹性模量，m m 2 e r 温度z 时结构钢的材料弹性模量，m m 2 由上文可知，屈服应力和弹性模量会随温度的升高而减小，所以钢结构的性 能会随着温度的升高而下降。包括内力重分布、变形等都会发生比常温下更剧烈 的变化。在各种高温结构钢强度折减方案中e c c s 所采用的数值较低，偏于保守。 鉴于国内还没有系统的结构钢在高温下的材性的试验资料，故国内进行钢结构抗 火时，一般均采用e u r o c o d e 3 提出的方案。 本文采用欧洲规范e u r o c o d e 3 采用的不同温度下的屈服强度和弹性模量的确 北京t 业大学i j 学硕十学何论文 定方法，即通过常温下的屈服强度和弹性模量乘以一定的折减系数得到具体数 值。见表2 - 1 表2 1 欧洲规范强度和初始弹性模量的折减系数 温度 屈服强度折减系数比例极限折减系数 初始弹性模量 k 帕= _ 8 帆k ，e = ，e | ， 折减系数 k e 8 = e o 。 e o 2 01 0 0 01 0 0 0 1 0 0 0 1 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0 2 0 01 0 0 00 8 0 7 0 9 0 0 3 0 01 0 0 00 6 1 30 8 0 0 4 0 01 0 0 00 4 2 00 7 0 0 5 0 00 7 8 00 3 6 00 6 0 0 6 0 00 4 7 00 1 8 00 3 1 0 7 0 00 2 3 00 7 5 00 1 3 0 8 0 00 11 00 5 0 00 0 9 0 9 0 00 0 6 0 0 0 3 7 5 0 0 6 7 5 1 0 0 0 0 0 4 00 0 2 5 0 0 4 5 2 2 3 高温下钢材的应力一应变关系 研究高温下的钢材的应力应变曲线是进行其力学性能分析的最主要内容。 高温下钢构件的总应变s 包括三个部分：由应力产生的机械应变，蠕变， 热膨胀引起的应变气： s = 毛+ o + 气 ( 2 2 4 ) 气= a t 口， ( 2 2 5 ) 总应变与应力过程和升温的速度有关，不同的升温速率下的应变增长是有差 别的。钢材力学性能的一个重要特点就是高温蠕变，但蠕变的情况比较复杂，且 构件的升温速度在5 - 5 0 “ c m i n 范围内且构件的温度不超过6 0 0 时，蠕变比较 小，目前各种材料模型一般都把蠕变的影响包括在气中一起考虑，这就大大节 省了分析者的工作。 1 2 第2 帝钢的高温材料特性及火火升温曲线 钢的应力一应变关系的模型很多，一般都是分段模型。最简单的是分段直线 模型，即给出一定温度下各控制应力点的应变值，在相邻点之阳j 连成直线。至于 连续光滑的模型比较少，表达式也较复杂，应用最多的是r a m b e r g o s g o o d 模型 啼4 1 ，该模型以k i r b y 和p r e s t o n 的试验资料为基础，后来为英国规范b s 5 9 5 0 所采用，其表达式如下： 铲号+ 争等( 寿厂 浯2 6 ， 式中： 5 用门夕5 07 e ，媪度时钢材的弹性模量； 厶凹腽度时钢材g o 2 屈服应力。 但是在实际应用中，r a m b e r g o s g o o d 模型的具体表达形式是不一样的， d o u n a s 、a c h i mr u b e r t 和p e t e rs c h a u m a n n 提出了不同的表达形式。欧洲规范 e u r o c o d e 3 采用的是连续光滑曲线的钢的应力一应变关系模型。见表2 2 。 北京川k 人学 ：学硕十学何论文 表2 2e c 3 高温下钢材的应力应变关系模型( 不考虑屈服后强化) 应变范围应力切线模量 占s s 口7 s e re t p t s 6 s sy t f p t - - c - i - b 、a 2 - ( e y t - - e ) 2 6 ( s 订一s ) 口口2 一( 锄一s ) 2 s y r 占s 盯l 汀 0 s 叮ssss u t j ，y r 一生二叠! ， f , u r 一6 t 7 j y r s2 g u t o 式中： = ；0 7 = 0 0 2 ；r = 0 1 5 ；s 。7 _ = 0 2 0 ； 口= ( s ，r s p7 - ) ( 占，r 一占j 口r + c e r ) ；6 = c ( 占y r o c p t ) e r + c 2 ； c ： 显二厶! ! ： 。 ( 占归一占p r ) 辱一2 ( f y r 一r ) 乃，：温度耐的屈服强度； r ：温度为耐的比例极限b r ：温度为耐的初始弹性模量； 占。r ：温度为耐的比例极限应变； 占，：温度为耐对应屈服强度的最大应变； 气r ：温度为耐的极限应变； 欧洲规范e u r o c o d e 3 同时还给出了结构钢在4 0 0 以下考虑强化的应力一 应变关系模型。 国内在钢材的高温材性模型方面也作了一定的研究，提出了一些理论成果。 在e c c s 的材性模型基础上提出一种三折线模型畸5 1 ，该模型通过4 个参数确定， 即屈服点，初始弹性模量f ，比例极限厶，软化阶段的弹性模量丘r 。 曲线模型比分段直线模型复杂，但是前者更接近于实际，且具体计算时更容 易收敛，模型过于简单或者仅仅通过几个控制参数而没有反映出整个应力一应变 第2 章钢的高温材料特性及火灾升温曲线 曲线的变化情况则与实际情况相差较远。目前国内规范还没有正式提出适合我国 建筑钢材的力学性能模型，本文采用e u r o c o d e 3 提出的不考虑强化的光滑曲线材 料模型。 2 3 火灾标准温升曲线 最早人们是通过抗火试验来确定构件的抗火性能，为了对试验所测得的构件 的抗火性能相互比较，试验必须在相同的升温条件下进行，许多国家和组织都制 定了标准的室内火灾升温曲线，以供抗火设计和抗火试验使用，其中应用最广泛 的为i s 0 8 3 4 标准升温曲线和a s t m e 1 1 9 标准升温曲线。 为了对受热构件的破坏模式有一个统一认识以及出于规范的需要对构件的 抗火程度进行统一分级，国际标准化组织( i s o ) 制定了i s 0 - 8 3 4 标准升温曲线嘞3 ， 其表达式如下： 乙= t o + 3 4 5 1 l g ( 8 t + 1 ) ( 2 2 7 ) 式中： t p 。为气体温度( ) ： 瓦为室温，一般为2 0 。c ： f 为时间，单位m i n 。 美国和加拿大采用的为a s t m - e 1 1 9 标准升温曲线西，表达式为： 乏= 1 1 6 6 5 3 2 e x p ( 一0 o l t ) + 1 8 6 e x p ( 一0 0 5 t ) 一8 2 0 e x p ( 一0 2 t ) ( 2 2 8 ) i s 卜8 3 4 标准升温曲线公式没有考虑火荷载、受火房间几何参数和热工参 数等因素，与实际火灾有一定的差别( 见图2 1 ) 。但由于其表达式简单，对于燃 烧炉控制比较方便，已为大多数国家研究者采用。 北京。i ：业大学t 学硕十学位论文 温度 图2 - 1i s o 标准火与室内火的差别 2 4 室内火灾的升温过程 曲线 内自然火曲线 时间 倒 j 增长初期全盛阶段衰退阶段 赠 零 | | 轰燃 睁 、 f 刊 长 删 图2 - 2 室内火灾发展 时间 建筑室内火灾可分为小室火灾和大空间建筑火灾两种类型畸引，对于小室火 灾，火的燃烧特征一般是通过温度一时间曲线来描述的。但是由于火灾的发展受 可燃材料的燃烧性能、火荷载密度、通风状况等多种因素的影响，其随温度升温 曲线表现出很大的随机性，对火灾的模拟一般假设室内空气温度均匀分布，通过 对火灾的统计资料和试验数据进行统计分析来归纳出室内火灾的空气升温过程 模型。 第2 奄钢的高温材料特件及火灾升温曲线 火灾燃烧的过程通常分为三个阶段( 如图2 - 2 所示) ：初期增长阶段、全盛 阶段和衰减阶段。初期增长阶段是火灾的起始阶段，在这个阶段的燃烧面积很小 而室内温度不高，烟少且流动相当慢。全盛阶段是火灾猛烈燃烧阶段，在这一阶 段室内处于全面而猛烈的燃烧状态，室内温度达到最高，热辐射和热对流加剧， 火焰可能从通风口窜出室外。衰减期是火焰逐渐冷却的阶段，这一阶段室内温度 逐渐降低，室内可燃物仅剩暗红色余烬及局部微小火苗，温度在较长的时间内保 持在2 0 0 - - 一3 0 0 “ c 左右，当燃烧物全部烧光后，火势趋于熄灭侧。 近年来，随着我国各种大型公共建筑的不断涌现，对大空间建筑火灾规律的 研究j 下日益受到重视。由于建筑结构的限制和使用功能的需要，大空间建筑的火 灾与普通建筑存在很大差别。只有掌握了火灾过程中空气温度的变化规律，才能 进一步对结构和构件进行抗火分析。但是，对建筑室内火灾的全过程分析是一个 十分复杂的问题。目前，大空间建筑钢结构的抗火设计理论研究尚处于起步阶段， 采取的方法是设定具体火灾场景，用区域模拟或场模拟预测空气温度，直接用钢 材在高温下力学性能随温度的变化得出结构的设计应力与屈服应力的比值，从而 得出结构是否安全的结论。但是，场模型理论性强，涉及知识背景