基于温度-结构耦合的索屋顶结构抗火性能分析

基于温度-结构耦合的索屋顶结构抗火性能分析

0试验研究的背景该大交叉结构以其丰富的建筑表现力、较好的耐火性、轻量、施工周期长等优点而被广泛研究和应用，但结构主要支撑材料的钢的抗火性性能较低，对火灾非常敏感。此外，大弯曲截面结构不应按照传统的涂料涂漆方法来解决结构的抗火问题。因此，有必要分析和设计大弯曲截面的抗火性能。目前,在高温下的材料性能、温度场模拟技术、结构抗火设计方法及有限元模拟分析方面成果较多。在高温下材料力学性能的研究方面,赵金城、沈祖炎分析并总结了材性模型对结构抗火分析的影响,范进在试验研究的基础上提出了高温下预应力钢绞线的力学性能模型,王俊等通过试验得到了高温蠕变对材料力学性能的影响。在钢结构抗火设计方法方面,基于计算的现代钢结构抗火设计方法已得到了较为广泛的应用,目前上海市工程建设规范JGTJ08-008—2000《建筑钢结构防火技术规程》就推荐采用基于计算设计方法解决大跨度钢结构抗火问题。基于性能化的钢结构抗火设计方法也在多个实际工程中得到了应用:338-352。在预应力钢结构抗火研究领域也有学者对一些特定结构进行了理论分析,如天津大学的罗涛通过预应力网架结构的抗火性能有限元分析提出了预应力网架与普通网架在抗火性能上的差别;同济大学周焕廷等通过对双曲索网结构的有限元模拟提出了外荷载和预应力对此类结构抗火性能的影响;北京工业大学崔伟龙以2008奥运会羽毛球馆为模型进行了大跨度弦支穹顶的抗火性能分析。目前大跨度钢结构抗火性能研究中的不足主要存在于:对大空间建筑火灾自身特性的研究有待深入,原有的火灾温度场模拟技术有待验证和改进;由于大跨度钢结构体系的多样性,需要对更多不同形式的大跨度钢结构进行抗火反应分析以便归纳各类结构火灾响应的共性,为实际工程的设计提出指导性的建议;另外,关于预应力大跨度钢结构的抗火性能研究较少。本文根据内蒙古伊旗全民健身体育中心工程索穹顶结构抗火性能设计的需要,以温度-结构耦合为基本方法,基于大空间空气升温模型,考虑高温下材料的非线性,分析索穹顶结构在不同火灾工况下的响应,旨在获得火灾下结构变形、节点位移、杆件预应力损失的基本规律,为实际工程的设计提供技术支持。1相关结构参数和有限分析模型1.1初始预应力施加量内蒙古伊旗全民健身体育中心屋盖采用肋环型索穹顶结构,跨度71.2m,矢高5.5m,矢跨比1/13,环向20等分,沿中心成轴对称布置。共设2道环索,中心设置拉力环,由内到外三圈撑杆的高度分别为5.3m、5.8m和6.8m,撑杆与索的连接点为铰接(图1),整个结构固定铰支于边缘刚性受压环梁上。为与实际工程的张拉方案保持一致,结构计算中通过对斜索施加初始应变的方法引入预应力,外斜索、中斜索、内斜索的初始预应力分别为2588kN、1215kN、852kN。工程设计采用的具体结构参数见文献。1.2试验过程及方从结构设计中提取采用ANSYS通用有限元分析程序建立的索穹顶结构分析模型如图2所示。模型中撑杆采用LINK8单元,拉索采用LINK10单元,通过对杆件施加随时间变化的温度作用实现火灾升温对杆件力学性能影响的模拟。升温对钢材和预应力索材料性能的影响主要体现于材料热力学性能的恶化,即应力-应变关系曲线的变化、材料强度及弹性模量的衰减。分析中,钢材采用连续光滑应力-应变关系模型(图3):113-114,预应力钢索采用双线性应力-应变材料模型(图4):113-114,高温下钢材的屈服强度和弹性模量采用EC3中的材型模型:113-114,预应力构件的屈服强度和弹性模量采用范进提出的高温下预应力钢绞线材性变化模型,采用时间硬化模型考虑高温蠕变对材料力学性能的影响。2火灾场景下的高温模拟同济大学李国强等通过对120例火灾场景用场模型进行模拟,回归得到高大空间建筑火灾空气升温数学模型,综合考虑了火源释热功率、建筑面积、建筑高度、构件距离火源中心距离等因素,较逼真地反映了高大空间建筑中实际的火灾升温情况,适合大跨度索穹顶结构的抗火反应分析。计算公式为:T(x,y,z)−Tg(0)=Tz[1−0.8exp(−βt)−0.2exp(−0.1βt)][η+(1−η)exp(−(x−b)/μ)](1)Τ(x,y,z)-Τg(0)=Τz[1-0.8exp(-βt)-0.2exp(-0.1βt)][η+(1-η)exp(-(x-b)/μ)](1)式中:T(x,y,z)为对应t时刻,距火源中心水平距离x,距地面垂直距离z处的空气温度,℃;Tz为从火源中心至距地面垂直距离z处的最高空气升温,℃;β为由火源功率和按αt2增长型火源确定的升温曲线形状系数;t为时间,s;b为火源中心点至火源最外边缘距离,m;η为距火源中心水平距离x的温度衰减系数(无量纲),当x<b时,η=1;μ为系数;Tg(0)为火灾发生前的环境温度,一般取为20℃。本文火源功率设计值Qs按大功率火灾取为25MW,单位面积热释放功率Q取为250kW/m2,可能的火源面积为A=Qs/Q=100m2,设定火源形状为圆形,则火源半径为5.64m。地面面积取3000m2,空间高度取为20m,升温曲线形状系数β按快速增长型取为0.0015,根据耐火等级为一级的屋顶承重结构耐火极限要求进行90min的火灾模拟。考虑火源发生位置的不同设置火灾场景,进行火灾工况Ⅰ(中心对称火场)和火灾工况Ⅱ(偏心火场)下的数值模拟,两种工况下火源均发生于地面,平面位置如图5、6所示。火灾工况Ⅰ中各构件的火灾升温情况如图7所示。为更准确模拟工况Ⅱ下结构的温度场分布,根据火源所在位置,考虑各构件距离火源中心的远近将结构划分为四个受火区域(如图6),分别对各区域中构件进行火灾升温的模拟,具体结果如图8所示。3火灾下结构的响应分析3.1结构的变形方向与变形特点两种火灾工况下结构的变形可用沿竖直方向的变形和侧向变形描述,火灾发生后的前40min变形速率较大,随后变形逐渐趋于稳定,结构在升温90min时变形如图9、10所示。沿图中正轴方向的变形为正值,反之为负值(坐标系统为右手笛卡尔坐标系,Z轴正向为竖直向上,与重力方向相反,X、Y轴在水平面内)。由结构的变形情况可见,火灾工况Ⅰ下结构以竖向的变形为主,竖向杆件在径向有一定的倾斜但幅度很小,总体上结构呈现出“中心塌陷”的状态;火灾工况Ⅱ下结构的变形值与火灾工况Ⅰ基本相当,同时结构的中圈部位出现了明显的侧向变形,两种变形效果使得结构在该火灾工况下呈现出“整体倾斜,局部塌陷”的状态。过大的侧向变形将导致结构的失效,过大侧向变形的出现暴露了肋环型索穹顶结构侧向刚度较弱,这一缺陷也将对结构的其它受力性能产生不利影响。3.2结构竖向位移由于结构布置及两种火灾工况下的高温反应均具有一定的对称性,对于工况Ⅰ选取如图11a所示同一平面内两榀杆件上的节点为代表进行位移响应的描述,对于工况Ⅱ取如图11b所示1/2结构上沿箭头指向的各个节点为代表进行位移响应的描述。图12为火灾工况Ⅰ下各节点竖向位移的发展情况,从图12可以看出,火灾工况Ⅰ下,结构的最大竖向位移出现在中心拉力环处,由中心拉力环到受压环梁各节点的竖向位移逐渐减小,内撑杆下节点(节点2、72)在升温90min时的竖向位移最大,取火灾开始时的状态为初始状态,则该节点竖向位移值达到0.95m;各圈撑杆上下节点的竖向位移变化趋势比较一致。该工况下的最大径向位移发生在节点3、73,位移值分别为-0.13m、0.13m,是导致结构破坏的次要因素。火灾工况Ⅱ下,结构中心拉力环与中撑杆端部的节点位移响应最剧烈,其竖向位移和径向位移均较大。同一撑杆上下节点的位移情况有一定差异,这种现象在中撑杆节点处最为明显。图13、14为在工况Ⅱ的火灾过程中,中撑杆上、下节点的竖向位移和侧向位移发展情况,可以看出:节点最大竖向位移发生在第31、24号节点(中撑杆上节点)附近,其位移值达到0.94m(图13a);结构的最大侧向位移发生在31、24、17号节点(中撑杆上节点)附近,其位移值达到2.55m(图14a),但该区域撑杆下节点在环向杆件的约束下侧向位移非常小。通过两种火灾工况下结构位移响应情况的比较可以认为肋环型索穹顶结构对偏心的火灾工况更为敏感,中撑杆端部位移对火灾敏感。由两种火灾工况下结构的位移发展历程可见,火灾发生后40min左右是结构位移积累最为迅速的时间段,这与结构的火灾升温曲线发展情况是一致的,随着温度场的稳定和结构自身的变形协调,结构的位移响应也趋于稳定。由此可见,若此类结构应用于实际工程则必须加强对火灾的监测,在火灾发生的初期及时作出反应,对减少火灾中结构的破坏非常重要。3.3预应力损失平均值火灾工况Ⅰ下各类拉索的预应力损失程度如图15所示。对于火灾工况Ⅱ,结构在非中心对称火灾下同类拉索的预应力损失平均值可反映此类拉索在火灾实际发生时的预应力损失程度,如图16所示。两种工况下结构中拉索的预应力损失有两个共同的特点:脊索尤其内脊索的预应力损失普遍较大;从远离火源的部位到火源附近杆件预应力损失呈逐渐增大的趋势,火灾下由于热膨胀引起的索的松弛是导致杆件预应力损失的主要因素。4环向杆件结构肋环型索穹顶结构由于水平抗侧刚度弱,火灾过程中产生了较大的侧向变形,其中撑杆上节点部位的节点位移和与其相连的索的预应力损失都很大,该部位侧向位移对偏心火灾工况非常敏感。针对肋环型索穹顶结构的这一缺陷,在结构的中撑杆上节点部位加设一道环向杆件(材质及截面型号与撑杆相同)来提高结构的水平抗侧刚度,并对改进前后的结构进行相同火灾工况下的力学响应分析。改进后结构模型如图17所示。4.1结构的竖向变形控制两种火灾工况下改进结构的变形情况分别如图18、19所示。改进结构在火灾工况Ⅰ下竖向变形最大值约为原结构的1/2,尤其是中心拉力环处的竖向变形值与原结构相比得到了较大幅度的控制,结构加设刚性环向杆件之前在该火灾工况下呈现出的“中心塌陷”的状态有了很大改善;火灾工况Ⅱ下改进结构最大竖向变形与原结构相比减小了27%,改进结构中撑杆端部的侧向变形得到了有效的控制。4.2节点最大竖向位移控制对于改进后的索穹顶结构,选取与3.2节相同的节点进行结构位移响应分析,并与原结构的位移响应进行对比,比较结果如图20所示。由图20可见,通过加设一圈环向杆件得到的改进结构在火灾工况Ⅰ下节点最大竖向位移也出现在内撑杆下节点(节点2、72)处,其位移值为0.49m,相比原结构位移幅值减小了48%左右,改进效果较为明显。改进结构在偏心火灾工况(工况Ⅱ)下的位移响应情况也有较为明显的改善,主要体现在:内撑杆及中撑杆的节点竖向位移得到了较大幅度的控制,其中内撑杆最大节点竖向位移由改进前的0.91m减小为0.52m,中撑杆最大节点竖向位移由改进前的0.94m减小为0.68m,减小幅度分别为42.8%、27.7%;中撑杆上节点部位的侧向位移得到了有效控制,撑杆上下节点的位移响应趋于一致,如图21～23所示。4.3火灾对预应力损失的影响两火灾工况下改进前后对应拉索的预应力损失比较如图24、25所示。火灾工况Ⅰ下,改进前后拉索预应力损失规律基本一致,均是脊索的预应力损失较大,预应力损失由受压环梁到中心拉力环各节点逐渐增大;从数值上看,改进结构中各拉索预应力损失相比原结构略有增大。附加环向杆件在火灾过程中始终处于受压状态,在结构张拉成形的初始状态中附加环向杆中的压应力为36MPa,火灾持续90min之后杆件中的残余压应力为26MPa。火灾工况Ⅱ下,靠近火源的中脊索是改进结构预应力损失比较严重的部位,中圈和外圈脊索的预应力损失相比原结构略有增大,而内脊索在火灾下预应力变化非常小。附加的环向杆件在火灾过程中处于受压状态,其最大应力达到135MPa。施加预应力是预应力结构减小外荷载作用反应的手段,火灾发生后预应力损失不能简单地作为评价预应力结构体系本身优劣的标准。加设环向杆件的改进结构,火灾下预应力损失虽然大,但是预应力损失引起的效应小,说明结构改进对抗火是有利的。5火灾作用下钢结构结构抗火设计本文以内蒙古伊旗全民健身体育中心索穹顶结构为研究对象,分析了肋环型索穹顶结构在不同火灾工况下的结构响应,并进行了有针对性的结构改进,得到如下主要结论:(1)在中心对称的火灾工况下,中心拉力环部位的位移最大,竖向位移超限是导致结构破坏的主要因素;在偏心火灾工况作用下中撑杆上节点附近出现了较大侧向变形,这是导致结构失效和非结构构件提前破坏的主要原因。(2)肋环型索穹顶结构在偏心火灾工况作用下中撑杆端部过大的侧向变形说明此类结构在水平抗侧刚度较弱。由于实际火灾作用多属于偏心火荷载,因而中撑杆端部侧向变形控制可以认为是肋环型索穹顶结构抗火设计的重点,在该部位上节点处加设一道环向杆件可有效提高结构的侧向刚度,使结构的抗火性能得到较大程