鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下熱結(jié)構(gòu)耦合分析研究

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1、王健民等：鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下熱一結(jié)構(gòu)耦合分析研究53鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下熱一結(jié)構(gòu)耦合分析研究王健民，張宏偉(1．黑龍江省消防總隊，哈爾濱150090；2．中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司黑龍江分公司。哈爾濱150080)【摘要】通過模擬火災(zāi)條件下鋼結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)，顯示出不同時刻構(gòu)件截面的溫度分布云圖以及截面特定節(jié)點(diǎn)溫度隨時間的變化曲線。根據(jù)進(jìn)行不同受火方式下構(gòu)件截面的溫度場分析，得出三面受火和四面受火條件下構(gòu)件截面的溫度分布有很大區(qū)別，但是在腹板相對翼緣薄的情況下，腹板的溫度總是最高的，而翼緣溫度相對較低。文中對真實火災(zāi)作用下結(jié)構(gòu)體系極限狀態(tài)的研究及常規(guī)設(shè)

2、計具有重要的意義。【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；耦合分析；火災(zāi)【中圖分類號】TU391【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【文章編號】1001—6864(2010)12—0053—03鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)形式相比，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量態(tài)的，還需輸入熱梯度最大時的時間點(diǎn)或荷載步。輕、空間大、抗震性能好等明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)(5)設(shè)置參考溫度，進(jìn)行求解和后處理。用于工業(yè)廠房、高層建筑中?？墒牵摻Y(jié)構(gòu)不耐火，在1．2鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下熱一結(jié)構(gòu)耦合分析實例模型火災(zāi)下，鋼材的強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能會急劇下本文分析問題為一工字型鋼梁，梁長5．5m，左右降，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的破壞。比如：

3、溫度為端固定，受均布荷載25．4kN／m。400℃時，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半，梁為標(biāo)準(zhǔn)工字梁，其截面尺寸如表1所示。溫度達(dá)到600℃時，鋼材基本喪失了強(qiáng)度和剛度。所表1工字梁截面尺寸m以對鋼結(jié)構(gòu)防火、抗火問題進(jìn)行研究具有十分重要的意義。1熱一結(jié)構(gòu)耦合問題分析熱一結(jié)構(gòu)耦合問題是鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)分析中通常遇假定該梁所在空間溫度按標(biāo)準(zhǔn)火模型上升，分別到的一類耦合問題。它是指在火災(zāi)分析中綜合考慮熱和結(jié)構(gòu)兩種工程學(xué)科的交叉作用和相互影響。這是因考慮三面和四面受火。分析結(jié)構(gòu)溫度場分布、結(jié)構(gòu)變?yōu)樵诨馂?zāi)情況下，結(jié)構(gòu)溫度場的分布會引起結(jié)構(gòu)的熱形和極限

4、溫度。應(yīng)力，而且結(jié)構(gòu)部件在高溫環(huán)境下中工作時，材料受到由于考慮梁是三面或四面受火，所以三面受火時溫度的影響會發(fā)生性能的改變，這些都是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分定義梁的下翼緣下表面、梁左側(cè)，梁右側(cè)；四面受火時析時需要考慮的問題。為此，需要先進(jìn)行相應(yīng)的熱分定義上翼緣上表面、下翼緣下表面、梁左側(cè)、梁右側(cè)。析，然后將熱分析結(jié)果施加到結(jié)構(gòu)上再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。并定義時間參數(shù)，用DELTIM命令定義初始時間步長，1．1熱一結(jié)構(gòu)耦合分析的步驟用AUTOTS命令打開自動時間步長控制。(1)進(jìn)行熱分析：熱分析在選擇單元類型之后，定義標(biāo)準(zhǔn)火升溫曲線函數(shù)：建立起熱～結(jié)構(gòu)分析模型，并

5、劃分網(wǎng)格，另外鋼結(jié)構(gòu)在T=20+3451ogl0(8t+1)火災(zāi)條件下，其大部分物理特性和力學(xué)性能都有所變式中，為溫度，t為時間。最后對受熱邊界施加化，比如鋼導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而減小；彈性模量對流作用，定義熱輻射場，求解。會隨溫度遞增而降低等等，所以要注意熱分析隨溫度2建立分析模型、定義材料熱學(xué)性能參數(shù)變化的材料特征的變化。最后施加邊界條件包括空氣2．1建立分析模型對流和火焰輻射并求解。幾何建?？梢灾苯釉贏NSYS中建立，也可以直接(2)將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元：ANSYS在CAD軟件中讀人，本文采用直接模擬形式，逐個地中不同的分析

6、類型對應(yīng)不同的分析單元，在熱分析完建立點(diǎn)、線、面和體，并對已生成的單元體進(jìn)行復(fù)制，最成準(zhǔn)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)終形成工字梁分析模型，如圖1所示。此外，為了更好構(gòu)單元。需要重新進(jìn)入前處理，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換。地模擬熱傳遞的過程，這里采用SOLID70單元進(jìn)行劃(3)設(shè)置結(jié)構(gòu)分析，包括熱膨脹系數(shù)的材料屬分，SOLID70是三維熱實體單元，它具有8個節(jié)點(diǎn)，每性及前處理細(xì)節(jié)，如節(jié)點(diǎn)耦合和約束方程等。個節(jié)點(diǎn)只具有單一的溫度自由度，適用于三維穩(wěn)態(tài)或(4)讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度。如果熱分析是瞬瞬態(tài)傳熱分析。54低溫建筑技術(shù)2010年第1

7、2期(總第150期)在標(biāo)準(zhǔn)火的作用下，在791．96s之前，四面受火梁的跨中上翼緣節(jié)點(diǎn)位移呈略大于三面受火梁的形勢，其位移隨時間的變化趨勢也與三面受火梁的幾乎一致?？删驮?91．96s時，其位移曲線突然有了一個幾乎垂直于時間軸的降低，即由一0．13m突然降低到了一{一0．224m。此時梁的溫度，腹板在686℃左右，下翼緣在652％左右，則此時的溫度(670℃左右)就是三面受圖l用SOLID70劃分的工字梁模型火鋼梁的極限溫度，791．96s就是耐火時間，而對應(yīng)的2．2定義材料熱學(xué)性能參數(shù)l，方向位移(0．13m)即為受火鋼梁的極限位移。通過

8、圖4與圖5，我們也可以看出極限溫度時梁跨中上下定義材料熱學(xué)性能參數(shù)，包括鋼材的導(dǎo)熱性、比熱翼緣節(jié)點(diǎn)的l，方向的位移變化也是不同的，即當(dāng)上翼和密度。我們采用EUROCODE3規(guī)范所