基于试验的钢结构整体抗火性能的有限元分析.pdf

第 4 0卷第4期 2 0 1 4年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 3 3 基于试验的钢结构整体抗火性能的有限元分析 乔 想 ， 陈 玲 ， 1 ． 天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室， 天津3 0 0 3 8 4 ； 2 ． 天津理工大学机械工程学院， 天津3 0 0 3 8 4 摘要 根据试验及数值模拟得到的局部火灾下工字型钢梁沿截面的温度分布数据 ， 以某角楼实际三维框架为研 究对象， 利用 A B A Q U S软件模拟火灾下钢框架结构在静力载荷和温度载荷共同作用下的整体力学特性。通过编写 输入文件对工字型钢梁截面施加非线性温度载荷 ， 探索了火灾下整体结构的薄弱环节， 得出了受火区域不同时整 体结构在局部火灾作用下的应力分布规律及变形特点， 更加真实地模拟出了钢结构整体的抗火性能， 为更加合理 的进行整体结构的抗火提供参考。 关键词 钢结构； 整体抗火 ； 非线性； 有限元分析 中图分类号 T U 3 9 1 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 4 0 4 0 3 3 0 5 A fin i t e e l e me n t a n a l y s i s o f t h e fir e ． r e s i s t a n c e o f t h e wh o l e s t e e l s t r u c t u r e ba s e d o n t h e e x p e r i m e n t Q I A O X i a n g 一 ． C H E N L i n g ’ 1 ． T i a n j i n K e y L a b o r a t o r y f o r C o n t r o l T h e o ry ＆ A p p l i c a t i o n s i n C o m p l i c a t e d S y s t e m s ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e t e mp e r a t u r e d a t a d i s t ri b u t i n g a l o n g t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e I - s h a p e s t e e l b e a m i n l o c al fi r e g o t f r o m e x p e rime n t a n d n u me ri c a l s i mu l a t i o n， t h e mo d e l o f t h e t h r e e d i me n s i o n s t e e l f r a me o f t h e t u r r e t i s b u i l t t o s i mu l a t e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s t e e l f r a m e s t r u c t u r e u n d e r fi r e i n t h e s t a t i c l o a d a n d t e m p e r a t u r e l o a d u s i n g A B A Q U S ． A n i n p u t fi l e i s w ri t t e n t o a p p l y n o n l i n e a r t e mp e r a t u r e l o a d i n t h e s t e e l b e a m c r o s s s e c t i o n， t h e w e a k l i n k s o f t h e w h o l e s t r u c t u r e a n d t h e r u l e s o f t h e s t r e s s e s a n d t h e d e f l e c t i o n s u n d e r d i f f e r e n t fi r e z o n e a r e o b t a i n e d ． T h e a n a l y s i s s i mu l a t e s fi r e r e s i s t a n c e t h e w h o l e s t e e l s t ruc t u r e mo r e r e a l i s t i c all y an d c o n c l u s i o n s p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s f o r t h e fi r e - r e s i s t a n t o f t h e wh o l e s t e e l s t r u c t u r e mo r e r e a s o n a b l y ． Ke y wo r d s s t e e l s t ruc t u r e ； t h e fi r e r e s i s t a n t o f t h e s t r u c t u r e ； n o n l i n e a r ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 0 引 言 目前钢结构被广泛 的应用于各种工程结构 中， 然而高温下钢材的力学性能如屈服强度 、 抗拉强度 、 弹性模量及承载能力等均会 因温度的升高而急剧下 降 ， 导致钢构件产生局部的倒塌破坏 l 1 。而英国卡 丁顿试验证明火灾下单个构件的破坏 ， 并不一定 意 味着整体结构的倒塌 ， 它会引起结构 内力重分布 ， 结 构仍具有一定 的承 载能力l 3 J 。钢结 构抗火设计 的 最终 目的是防止整个结构在火灾条件下发生整体结 构倒塌， 因此， 进行结构整体的抗火分析显得尤为重 要 引。但目前整体结构抗火的有限元模型大多采 收稿 日期 2 0 1 3 -0 6 - 0 7 作者简介 乔想 1 9 8 8一， 女 ， 硕士研究 生 ， 研 究方 向为钢 结构抗 火 。 基金项 目 天津市 自然科学基金资助项 目 0 2 3 6 0 7 2 1 1 E m a i l q i a o x i a n g 2 8 2 1 6 3 ． c o m 用楼板为矩形 的相对简单模型 ， 考虑到道路 、 美观等 其他 因素 ， 实际工程中存在许多角形结构的建筑 ， 本 文模拟的是工程实际中的一幢复杂角楼结构的一部 分 ， 由于结构本身具有不对称性 ， 所以火灾下钢框架 结构的整体力学特性必然有所不同。本文通过局部 火灾下对混凝土组合梁加温的试验获取工字型钢梁 上的真实温度 ， 并通过输入文件 的编写在梁单元 上 施加沿截面方 向非线性分布 的温度 载荷 ， 更加准确 地模拟火灾下结构 的真实响应。 1 有限元模 型的建立 1 ． 1 几何模型 本文所取 的算例模型是一个多层多跨 的复杂角 形钢框架结构的一部分 ， 平面尺寸如图 1所示 ， 单位 为 ml n ， 其中阴影部分为受火研究区域 ， 依照施工图 尺寸建模 。主梁 1 HN 6 0 02 0 01 11 7 ， 主梁 2 HN 4 0 0 2 0 08 X 1 3 ， 次 梁 1 HN 3 5 01 7 5 71 1 ，