钢结构抗火计算概述
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收稿日期:061- 20- 2 00
B O n-n Y N J -e A P gi e lg A G wi i n
作者简介: 刘现鹏( 8- 山 1 0 )男, 东建筑大学工程结构现代分析与设 9 , 计研究所硕士研究生, 济南 201 山东 504 张贵贤(97 )男, 17- 工程师, , 山东阳谷监理有限公司, 济南 200 山东 500 赵 翔(90 )男, 18- 助理讲师, , 山东省劳动职业技术学院, 济南 200 山东 500
钢结构具有质量轻、 空间大、 抗震性能好、 易施工、 易维护等 优点, 可是钢结构不耐火, 温度达到60℃时, 0 钢材就基本丧失了 全部的强度和刚度。进行钢结构抗火研究的意义主要有以下几 个方面: 首先, 减轻结构在火灾中的破坏, 避免结构在火灾中局部 倒塌造成灭火及人员疏散困难; 其次, 避免结构在火灾中整体倒 塌造成人员伤亡; 再次, 减少火灾后结构的修复费用, 缩短灾后结 构功能恢复周期, 减少间接经济损失。
3 -2 03 .
A c t lcir n ur t f m ne l t n il h e ue e o o cr n pr r ac ea a o o c iacic r c pa e i f e e o e b r t v u i f r t t v
Asa : fl i p edc s te t doc r t o ace ltn i aheu a t ic rts c p e br tTe wn a r ue h e e o f e prr n vu i oci r ic r n hr ae , a s tc h o g i ss ’ h s u n e m e ao f ctte e h cr o r l o p s rm r f a v l d a m ad tt t apci s e ad ltn r oi to p b ctis t stg cti fr bi oc i n i sas pl tn r n e ui p g m t w a et l reo ad ei o" irn ri iy il l re h i o p e v ao r a f u e a h a o s c a e rn n h t f eo o ea l f c i e n r l t v
2007年 3 月
第3 卷 第 8期 3
S HANXI ARC TE URE HI CT
山
西
建
筑
Vo. No 8 l3 3 .
M a . 2 0 r 07
6 ・ 1
文章编号: 0- 2 (070- 6- 1 9 8520 ) 0 1 2 0 6 80 0
钢结构抗火计算概述
刘现鹏 张贵贤 赵 翔
a l T\ a 。a T TI.a 。3
衬 侧 履
0 么幻 " 60 创 ! 0 0 犯 0 012 140 1 刃 0
期 绷 期 溯 10
所得的每个时刻的点温度施加到结构单元上作为温度荷载。通
常温度可以直接从热分析的结果文件读出并使用L R A D E D命令
时间/ A
图2 某例工字梁跨中挠度随时间的变化曲线 高而增大; 热膨胀系数在随温度递增的趋势下会出现“ 相位变换” 现象; 弹性模量会随温度递增而降低等。 3 结语 在火灾条件下, 结构的内力分布与常温下的内力分布也将不 当 钢结构已经被广泛应用在国内 今, 外高层建筑及大跨度结 同, 这是因为:) 1温度升高造成钢结构的刚度下降, 造成结构内力 构中, 另外在很多工程技术领域钢结构也正起着越来越重要的作 的重分布。2温度升高使构件产生热膨胀, ) 从而受到周围其他构 用, 这些都预示着钢结构将是未来结构发展的主要方向。 钢结构
目前流行的C D计算流体动力学) F ( 软件正在致力于解决这 一领域的数值分析。室内自 然火的燃烧千变万化, 但是在设计中 通常做一系列简化的假定, 例如火灾被控制在有限的范围内, 该 空间内温度均匀分布等, 然后给出该空间内的温度随时间上升的
简化计算公式 :
() T= 0 35 (t ) 。 1 2 + 41 8 g +1
摘 要: 介绍了 钢结构抗火研究的意义, 系统综述了 钢结构抗火的计算步骤以 及与之相关的升温后的钢结构的材料、 力 学特征, 阐述了 利用有限元软件A S S N Y 进行钢结构抗火计算的方法。
关键词: 钢结构, 有限元软件, 抗火计算 中图分类号二U 9 T 31
文献标识码 : A
1 钢结构抗火研究的意义
aci t e ad ir n dai t hu " w i to eri lbs f hu m ng et am n ad ln eg e i r t u " "reo fr p ad s , c o r b a s os aae ndpr et bii ni en he r n c ti o i d e o e h h f ea e e o c l f l r e m e t n ud g n rg s en net c t e l tt ri iy r ic r u rt dn oi o u e ea l oa he u . p ie f e v a h lbi f t t e f a e t c Ky d: o ac e l tn cti , utn g m c i r ic r e wr prr ne u i , eo e l i p r , l t t e os e m f v ao r rn v ao r a i a he u a i a o v c
《 民用建筑可靠性鉴定标准》 危险房屋鉴定标准》 与《 的制定 各具特色, 房管部门 更愿依据《 危险房屋鉴定标准》建筑工程监 , 督部门多依据《 民用建筑可靠性鉴定标准》 。
对于结构构件承载能力的 评定,民 《 用建筑可靠性鉴定标准》 参考文献 : 1 J 6- 0, ] G 0 2 S. 与 危险 鉴定 》 采用了R S 判别式( , 《 房屋 标准 均 /o y 的 RS 分别为 [ B 508 01建筑结构可靠度设计统一标准【]
・6 ・ 2
2007
第3 3卷 年
飞 曰
第
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山
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建
筑
法进行结构分析( 分析时各构件的材料特性取构件升温后的材料 () 2 产 万了=石 o石二 )卞石 几.二 ] 二t 丁I 云 V L V. G 、 V. ‘ C vy 、 .少 声 特性)即可得到该构件升温对结构产生的温度内 , 力和变形。 J k ; C 其中,为 密度, /3 为介质比热容,A "gT为 23 4 钢结构构件实用抗火计算与设计方法 P 介质 k M; g 。 .. 点( ,) x y处在时刻 t 的温度, d ℃; 为介质导热系数, ( *)t W/m- ; C 基于构件的 类别可进行轴心受压、 受弯、 压弯、 钢框架梁、 钢 为时间, s o 框架柱、 耐火钢等六类结构构件的抗火计算和设计。这里仅简单 已知边界条件后, 求解上述方程便可得到火灾下钢构件的截 讨论受弯构件的抗火计算。 面温度分布, 然而除了极少数情况能得到方程的解析解外, 通常 首先由 在弹性理论下, 常温和高温绕强轴受弯 对称截面钢构 只能通过数值方法求其数值解。很多时候为了实用还可以根据 件的临界弯矩推得受弯构件高温下的承载力验算公式, 并给出受 钢构件的特点及在工程中的具体情况, 通过一些简化方法来求得 弯构件临界温度公式, 然后根据受弯构件的荷载比和稳定系数查 火灾下钢构件的截面温度分布。如对于轻型钢构件可假定其截 表就可以得到受弯构件的临界温度。 面温度均匀分布, 忽略质量较轻的保护层吸收的热量对钢构件升 235 有限 .. 元软件A SS NY 在抗火 计算中 应用 的 温的影响等。 这一过程用A S S N Y 操作就可以省去一些繁冗的计 这一过程的A S S N Y 操作主要有以下几步:) 1对以上热分析 算过程。在上面的基础上定义时间参数, 打开自 动步长控制, 并 的单元进行转换, 即由S LD0热单元) O I7 转换为S LD5结构 O I4 用 S 命令对各个边界施加对流和辐射作用就可求出钢构件在不 F 单元) 2在结构单元上施加外部荷载, 。) 设定时间参数和步长后 同温度条件不同时刻条件下的截面、 结构的温度分布( 10 见图 ) 初 求解常温下的结构反应。这一过程时间间隔很短可以设定一个 溯 非常小的时间和步长。3再次设定火灾时间参数和步长, ) 把计算
2 15 9危险房屋鉴定标准[] ] 2 9 J G S. 结构 件的 力和 效应,0 结构重 性系 。 构 抗 作用 ’ 为 " y 要 数) 对于荷载 [ J - , 标准值的取用,民用建筑可靠性鉴定标准》 《 规定应经调查或检测
核实, 按有 并 关规定进行; 对于结构构件抗力标准值的确定拭民
施加到结构模型上。4计算求得结果见图2 ) 0
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图 1 某例工字梁翼缘和腹板随时间的升温曲线
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一0 8 . 一1
其中, T为温度; 为时间。 t
在A S S 实际操作过程中, NY 先选择热分析并建立模型, 选择
单元 S LI 0 O I7 或其他可进行热应力祸合的单元, Y 划分网格之后 ,
2 钢结构抗火计算方法及 A SS N Y 在抗火计算中的应用 一般来说, 结构抗火计算方法主要有如下3 个步骤:) 1估计
便可以进行计算。首先定义分析类型为瞬态分析, 然后定义初始
温度并利用标准升温公式计算环境温度。
室内火灾的范围和空气达到的温度;) 2根据空气的温度计算结构 . 的温度分布;) 3根据结构的外荷载和温度分布计算结构的反应, 22 根据空气温度计算结构的温度分布 火灾下, 热空气向构件传热主要是辐射、 对流, 而固体构件内 确定临界温度。 沿着钢构件长度方向的热传 A SS N Y 作为一种大型通用有限元分析软件, 由于它具有功 部的传热则是热传导。一般情况下, 这样构件中的热传导就成为一个二维传热问题。 能强大, 操作简单方便等优点, 已经被广泛应用在了包括结构、 导可忽略不计, 先分别计算出以热辐射和热对流的形式从空气传递给构 热、 流体以及电磁场等学科的研究。对于钢结构抗火研究也 求解时, 声、 件的热量, 并将其作为由傅里叶导热定律及热平衡原理得到的钢 不失为一个有效的计算工具。 构件截面导热微分方程的边界条件。导热微分方程如下:
一 12 .
23 根据结构的外荷载和温度分布计算结构的反应 .
2 3 1 火灾下钢结构材料力学特征和内 .. 力分布 钢结构在火灾条件下, 其大部分物理特性和力学性能都有所 变化, 如钢导热系数随着温度的升高而减小; 比热容随温度的升
一1 4 .
一16 .
0 8 1 2 2 《 8 506 2 幻 3o 幻 40 刃70 9 o 扣 印 6
用建筑可靠性鉴定标准》 规定应经现场检测采集有关信息并按其 规定计算分析确定; 危险房屋鉴定标准》 而《 在这两方面未明确规
[1B 9- 9, 3G 5221 9民用建筑可靠性鉴定标准[] 0 9 S. [ B 6- , 4 J 8 建筑结构设计统一标准【] ] G 84 S. [] 5晋向平. 混凝土结构耐久性初探【]山西建筑,053 () J. 20 ,17 :
2 1 佑计室内火灾的范围和空气达到的温度 .
构和围护结构) 模糊矩阵, 根据各自在房屋安全方面的地位和重
要 确 。 判 程 所 用 楼 、、、架 构 的 董 性 定 评 过 中 使 的 板柱梁屋 等 件 权
准文献确定。
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分配 数, 据国 众多 家的 见 与日 系 根 内 专 意 并参 本等国 关技术 相 标
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作者简介: 刘现鹏( 8- 山 1 0 )男, 东建筑大学工程结构现代分析与设 9 , 计研究所硕士研究生, 济南 201 山东 504 张贵贤(97 )男, 17- 工程师, , 山东阳谷监理有限公司, 济南 200 山东 500 赵 翔(90 )男, 18- 助理讲师, , 山东省劳动职业技术学院, 济南 200 山东 500
钢结构具有质量轻、 空间大、 抗震性能好、 易施工、 易维护等 优点, 可是钢结构不耐火, 温度达到60℃时, 0 钢材就基本丧失了 全部的强度和刚度。进行钢结构抗火研究的意义主要有以下几 个方面: 首先, 减轻结构在火灾中的破坏, 避免结构在火灾中局部 倒塌造成灭火及人员疏散困难; 其次, 避免结构在火灾中整体倒 塌造成人员伤亡; 再次, 减少火灾后结构的修复费用, 缩短灾后结 构功能恢复周期, 减少间接经济损失。
3 -2 03 .
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钢结构抗火计算概述
刘现鹏 张贵贤 赵 翔
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常温度可以直接从热分析的结果文件读出并使用L R A D E D命令
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图2 某例工字梁跨中挠度随时间的变化曲线 高而增大; 热膨胀系数在随温度递增的趋势下会出现“ 相位变换” 现象; 弹性模量会随温度递增而降低等。 3 结语 在火灾条件下, 结构的内力分布与常温下的内力分布也将不 当 钢结构已经被广泛应用在国内 今, 外高层建筑及大跨度结 同, 这是因为:) 1温度升高造成钢结构的刚度下降, 造成结构内力 构中, 另外在很多工程技术领域钢结构也正起着越来越重要的作 的重分布。2温度升高使构件产生热膨胀, ) 从而受到周围其他构 用, 这些都预示着钢结构将是未来结构发展的主要方向。 钢结构
目前流行的C D计算流体动力学) F ( 软件正在致力于解决这 一领域的数值分析。室内自 然火的燃烧千变万化, 但是在设计中 通常做一系列简化的假定, 例如火灾被控制在有限的范围内, 该 空间内温度均匀分布等, 然后给出该空间内的温度随时间上升的
简化计算公式 :
() T= 0 35 (t ) 。 1 2 + 41 8 g +1
摘 要: 介绍了 钢结构抗火研究的意义, 系统综述了 钢结构抗火的计算步骤以 及与之相关的升温后的钢结构的材料、 力 学特征, 阐述了 利用有限元软件A S S N Y 进行钢结构抗火计算的方法。
关键词: 钢结构, 有限元软件, 抗火计算 中图分类号二U 9 T 31
文献标识码 : A
1 钢结构抗火研究的意义
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《 民用建筑可靠性鉴定标准》 危险房屋鉴定标准》 与《 的制定 各具特色, 房管部门 更愿依据《 危险房屋鉴定标准》建筑工程监 , 督部门多依据《 民用建筑可靠性鉴定标准》 。
对于结构构件承载能力的 评定,民 《 用建筑可靠性鉴定标准》 参考文献 : 1 J 6- 0, ] G 0 2 S. 与 危险 鉴定 》 采用了R S 判别式( , 《 房屋 标准 均 /o y 的 RS 分别为 [ B 508 01建筑结构可靠度设计统一标准【]
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法进行结构分析( 分析时各构件的材料特性取构件升温后的材料 () 2 产 万了=石 o石二 )卞石 几.二 ] 二t 丁I 云 V L V. G 、 V. ‘ C vy 、 .少 声 特性)即可得到该构件升温对结构产生的温度内 , 力和变形。 J k ; C 其中,为 密度, /3 为介质比热容,A "gT为 23 4 钢结构构件实用抗火计算与设计方法 P 介质 k M; g 。 .. 点( ,) x y处在时刻 t 的温度, d ℃; 为介质导热系数, ( *)t W/m- ; C 基于构件的 类别可进行轴心受压、 受弯、 压弯、 钢框架梁、 钢 为时间, s o 框架柱、 耐火钢等六类结构构件的抗火计算和设计。这里仅简单 已知边界条件后, 求解上述方程便可得到火灾下钢构件的截 讨论受弯构件的抗火计算。 面温度分布, 然而除了极少数情况能得到方程的解析解外, 通常 首先由 在弹性理论下, 常温和高温绕强轴受弯 对称截面钢构 只能通过数值方法求其数值解。很多时候为了实用还可以根据 件的临界弯矩推得受弯构件高温下的承载力验算公式, 并给出受 钢构件的特点及在工程中的具体情况, 通过一些简化方法来求得 弯构件临界温度公式, 然后根据受弯构件的荷载比和稳定系数查 火灾下钢构件的截面温度分布。如对于轻型钢构件可假定其截 表就可以得到受弯构件的临界温度。 面温度均匀分布, 忽略质量较轻的保护层吸收的热量对钢构件升 235 有限 .. 元软件A SS NY 在抗火 计算中 应用 的 温的影响等。 这一过程用A S S N Y 操作就可以省去一些繁冗的计 这一过程的A S S N Y 操作主要有以下几步:) 1对以上热分析 算过程。在上面的基础上定义时间参数, 打开自 动步长控制, 并 的单元进行转换, 即由S LD0热单元) O I7 转换为S LD5结构 O I4 用 S 命令对各个边界施加对流和辐射作用就可求出钢构件在不 F 单元) 2在结构单元上施加外部荷载, 。) 设定时间参数和步长后 同温度条件不同时刻条件下的截面、 结构的温度分布( 10 见图 ) 初 求解常温下的结构反应。这一过程时间间隔很短可以设定一个 溯 非常小的时间和步长。3再次设定火灾时间参数和步长, ) 把计算
2 15 9危险房屋鉴定标准[] ] 2 9 J G S. 结构 件的 力和 效应,0 结构重 性系 。 构 抗 作用 ’ 为 " y 要 数) 对于荷载 [ J - , 标准值的取用,民用建筑可靠性鉴定标准》 《 规定应经调查或检测
核实, 按有 并 关规定进行; 对于结构构件抗力标准值的确定拭民
施加到结构模型上。4计算求得结果见图2 ) 0
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图 1 某例工字梁翼缘和腹板随时间的升温曲线
Fra Baidu bibliotek
绷 一 认。
M一. 9 4
一0 8 . 一1
其中, T为温度; 为时间。 t
在A S S 实际操作过程中, NY 先选择热分析并建立模型, 选择
单元 S LI 0 O I7 或其他可进行热应力祸合的单元, Y 划分网格之后 ,
2 钢结构抗火计算方法及 A SS N Y 在抗火计算中的应用 一般来说, 结构抗火计算方法主要有如下3 个步骤:) 1估计
便可以进行计算。首先定义分析类型为瞬态分析, 然后定义初始
温度并利用标准升温公式计算环境温度。
室内火灾的范围和空气达到的温度;) 2根据空气的温度计算结构 . 的温度分布;) 3根据结构的外荷载和温度分布计算结构的反应, 22 根据空气温度计算结构的温度分布 火灾下, 热空气向构件传热主要是辐射、 对流, 而固体构件内 确定临界温度。 沿着钢构件长度方向的热传 A SS N Y 作为一种大型通用有限元分析软件, 由于它具有功 部的传热则是热传导。一般情况下, 这样构件中的热传导就成为一个二维传热问题。 能强大, 操作简单方便等优点, 已经被广泛应用在了包括结构、 导可忽略不计, 先分别计算出以热辐射和热对流的形式从空气传递给构 热、 流体以及电磁场等学科的研究。对于钢结构抗火研究也 求解时, 声、 件的热量, 并将其作为由傅里叶导热定律及热平衡原理得到的钢 不失为一个有效的计算工具。 构件截面导热微分方程的边界条件。导热微分方程如下:
一 12 .
23 根据结构的外荷载和温度分布计算结构的反应 .
2 3 1 火灾下钢结构材料力学特征和内 .. 力分布 钢结构在火灾条件下, 其大部分物理特性和力学性能都有所 变化, 如钢导热系数随着温度的升高而减小; 比热容随温度的升
一1 4 .
一16 .
0 8 1 2 2 《 8 506 2 幻 3o 幻 40 刃70 9 o 扣 印 6
用建筑可靠性鉴定标准》 规定应经现场检测采集有关信息并按其 规定计算分析确定; 危险房屋鉴定标准》 而《 在这两方面未明确规
[1B 9- 9, 3G 5221 9民用建筑可靠性鉴定标准[] 0 9 S. [ B 6- , 4 J 8 建筑结构设计统一标准【] ] G 84 S. [] 5晋向平. 混凝土结构耐久性初探【]山西建筑,053 () J. 20 ,17 :
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构和围护结构) 模糊矩阵, 根据各自在房屋安全方面的地位和重
要 确 。 判 程 所 用 楼 、、、架 构 的 董 性 定 评 过 中 使 的 板柱梁屋 等 件 权
准文献确定。
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分配 数, 据国 众多 家的 见 与日 系 根 内 专 意 并参 本等国 关技术 相 标