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摘要：讨论了一种新的高温分析方法，即将性能化设计与结构有限元分析相结合，这样既可以得出较为直观的火灾后分析参数，又可以得到结构在火灾发生全过程的反应。以钢框架结构为分析模型，进行了如下的一些研究与分析。通过本文的分析，笔者建议将性能化设计与有限元分析相结合，利用性能化分析温度场，再用有限元程序计算构件温度场及温度应力与变形，这样可以得到更加符合实际的结论。
关键词：局部高温性能化有限元钢框架
1.概述
当火灾发生后，结构内力分布与常温下是有很大区别的，这主要是由于以下两个方面的原因造成的：
（1）温度上升，构件刚度下降，造成结构内力重分布。
（2）温度上升，构件产生热膨胀，而构件的热膨胀受到周围其他构件的约束，从而在该构件中产生温度内力。
鉴于在实际情况中，火灾都是发生在局部区域，因此本文主要研究局部高温下的钢框架结构分析。结构在高温下的内力主要是由两个部分组成，一个是结构所受外荷载产生，另一个是由于构件温度上升，其膨胀变形受到约束而产生的温度内力。
在局部高温下，由于局部构件的温度升高，导致这些构件刚度下降，进而造成整体结构的刚度与常温下有所差异，因此，使得构件在外荷载作用下的内力与常温下不同。受热构件所承担的外荷载比常温下小，而与其相连的构件将承担比常温下更大的荷载。
由于结构构件之间的相互作用，超静定结构中构件的变形都要与相邻构件协调，也就受到相邻构件的约束。构件在升温时的温度内力将与构件本身的刚度和它所受的约束大小，还有结构形式以及构件所处的位置有关。计算钢框架局部高温下构件温度内力，可以将结构中高温构件单独分析，将其简化为带弹性杆端约束的杆件进行分析；也可以采用整体结构分析。前者适用于手算，后者适用于计算机计算，本文采用整体结构分析。
2. 构件温度应力有限元分析
目前，钢框架结构的高温分析多是假定构件截面的温度场分布是均匀的，但实际在火灾发生时，其温度场往往是非线性的不均匀温度场，因此要想比较准确的分析高温下受力，温度场的准确计算很重要。另外，整体结构的抗火承载力与构件的抗火承载力是有很大的差别的，这一点已经通过国内外的一些大型火灾试验得到了证明，因此本文的受力分析以整体结构为研究对象，这样可以得到相对准确的结果。最后，目前在高温分析中多采用国际标准升温曲线，这使得最后的分析结构与实际火灾有一定差异，本文在采用性能化分析软件FDS得到结构真实火灾下温度场，并用此温度来分析结构性能，再与标准升温曲线下的结构分析结果比较，得出二者之间的区别比较。
2.1模型简介
本文为计算简便，将计算模型简化为一三层三跨平面框架，柱距为6.6m，层高为3.2m，柱为矩形箱型截面柱，梁为焊接工字梁，材料均为Q235钢，所有柱脚均固结。计算简图与截面尺寸见图1。
假设火灾只发生在一层一榀框架内，在该框架梁下翼缘施加用传热学原理所得的温度场，分析步与火灾发生实际情况对应设置，分析步长也按照各温度持续时间设定。为了能够准确模拟高温下材料的非线性与温度分布的分线性，模型的所有单元均采用实体单元C3D8R，该单元为八节点六面体实体单元。梁柱接合处使用tie命令将其耦合，使二者变形协调。
图1计算简图与截面尺寸见
采用ABAQUS分析钢框架温度应力，将温度荷载按照多个分析步依次加载，分析不考虑单元的初始缺陷和参与应力的影响，高温下结构钢的力学性能按照参考资料中所述采用。材料的非线性按照Von Mises屈服准则及其相应的流动法则，几何非线性按照大应变，大变形。
2.2 标准升温曲线
目前，许多做结构抗火设计都是选用标准升温曲线，各国采用的标准升温曲线稍有不同，我国采用的是国际标准组织制定的ISO834标准升温曲线（如图2），其表达式如下：
是指环境温度，一般取20℃，在本文的分析中，由于在FDS中设定环境温度为22℃，所以为了对比，在计算标准升温曲线时，同样将环境温度取为22℃。
图2. ISO834标准升温曲线
2.2 钢框架分析
通过计算可以看出，在高温下，结构的节点是抗火的关键环节，从全过程分析来看，节点处的温度应力最高，本文分别分析了真实火灾升温过程和标准升温过程，两者的结果都表明节点处的温度应力是峰值区域，虽然此处的温度不是最高，两种升温过程的整体结构应力云纹图见图3与图4。
图3 模拟火灾下高温框架应力图
图4 标准升温下高温框架应力图
在模拟升温过程中，温度先后两次达到峰值，第一次峰值300℃左右，其应力云图如图9和图11所示，最大应力出现在右节点为372.5Mpa，已经超出Q235钢的屈服极限，由于本文模拟均未考虑防火层，故钢的导热非常迅速，其应力也因此迅速增大，若考虑防火層的隔热作用，应力会较低。第二次温度峰值为175℃，此时的温度应力峰值仍旧出现在右侧节点，但应力值很低为161.5Mpa，如图5与图6。
图5模拟火灾下左侧节点应力图 图6模拟火灾下右侧节点应力图
模拟升温与标准升温产生的温度应力云图见图7与图8，模拟升温下其柱脚最大应力为80Mpa左右，而标准升温下其应力值达110Mpa，且应力云范围明显加大，但两种情况下的应力值都远小于钢的屈服应力，因此，可知在温度作用下，柱脚不是高温破坏的关键区域。
图7 模拟火灾下柱脚应力图图8 标准升温下柱脚应力图
两种升温过程下节点区的温度应力比较见图9至图12，从图中可以清晰的看到边节点的温度应力要比中节点小的多，这主要是由于周围构件对受火构件的约束作用，使得受火构件在高温下的膨胀受到限制，因此产生比较大的应力。而在标准升温过程中，温度持续上升，且钢梁下翼缘最高温度达到690℃，因此其温度应力要比模拟升温高的多，其最大应力为510.1Mpa，比模拟升温高出大约140Mpa，已经远远超出钢的屈服应力，故在标准升温下，往往需要加覆较厚的隔热保护层，以此来降低温度应力，进而使结构在高温下有更好的受力性能。在模拟升温过程中，温度场是随着火灾燃烧情况而变化的，有两次升温两次降温过程，且峰值温度都要低于标准升温，因此，即使在第一次峰值温度较高的情况下，其温度应力也比标准升温低很多。
图9 模拟火灾下左侧节点应力图图10 标准升温下左侧节点应力图
图11 模拟火灾下右侧节点应力图图12 标准升温下右侧节点应力图
3. 结论
通过本文的分析，可以看出按照标准升温计算出的温度应力与真实火灾发生过程产生的温度应力是有一定差距的，而目前的规范均是按照标准升温来计算，随着性能化设计的推广，应对规范中的这种计算方法进行一定的修正，使其更加符合实际火灾发生的变化过程。
参考文献
[1] 李国强，将首超，林贵祥.钢结构抗火设计与计算，北京，中国建筑工业出版社，2000
[2] 吴波，火灾后钢筋混凝土结构的力学性能，北京，科学出版社，2003
[3] 过镇海，时旭东，钢筋混凝土的高温性能及其计算，北京，清华大学出版社，2003
[4] 庄茁，张帆，岑松，ABAQUS非线性有限元分析与实例，北京，科学出版社，2005
[5] NFPA92B, Guide for Smoke Management Systems in Mall,Atria,and Large Areas2000 Edition [M]. USA:National Fire Protection Association, 2000.
[6] ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No.78 ,Structural Fire Protection ,Published by ASCE ,New York
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：局部高温性能化有限元钢框架
1.概述
当火灾发生后，结构内力分布与常温下是有很大区别的，这主要是由于以下两个方面的原因造成的：
（1）温度上升，构件刚度下降，造成结构内力重分布。
（2）温度上升，构件产生热膨胀，而构件的热膨胀受到周围其他构件的约束，从而在该构件中产生温度内力。
鉴于在实际情况中，火灾都是发生在局部区域，因此本文主要研究局部高温下的钢框架结构分析。结构在高温下的内力主要是由两个部分组成，一个是结构所受外荷载产生，另一个是由于构件温度上升，其膨胀变形受到约束而产生的温度内力。
在局部高温下，由于局部构件的温度升高，导致这些构件刚度下降，进而造成整体结构的刚度与常温下有所差异，因此，使得构件在外荷载作用下的内力与常温下不同。受热构件所承担的外荷载比常温下小，而与其相连的构件将承担比常温下更大的荷载。
由于结构构件之间的相互作用，超静定结构中构件的变形都要与相邻构件协调，也就受到相邻构件的约束。构件在升温时的温度内力将与构件本身的刚度和它所受的约束大小，还有结构形式以及构件所处的位置有关。计算钢框架局部高温下构件温度内力，可以将结构中高温构件单独分析，将其简化为带弹性杆端约束的杆件进行分析；也可以采用整体结构分析。前者适用于手算，后者适用于计算机计算，本文采用整体结构分析。
2. 构件温度应力有限元分析
目前，钢框架结构的高温分析多是假定构件截面的温度场分布是均匀的，但实际在火灾发生时，其温度场往往是非线性的不均匀温度场，因此要想比较准确的分析高温下受力，温度场的准确计算很重要。另外，整体结构的抗火承载力与构件的抗火承载力是有很大的差别的，这一点已经通过国内外的一些大型火灾试验得到了证明，因此本文的受力分析以整体结构为研究对象，这样可以得到相对准确的结果。最后，目前在高温分析中多采用国际标准升温曲线，这使得最后的分析结构与实际火灾有一定差异，本文在采用性能化分析软件FDS得到结构真实火灾下温度场，并用此温度来分析结构性能，再与标准升温曲线下的结构分析结果比较，得出二者之间的区别比较。
2.1模型简介
本文为计算简便，将计算模型简化为一三层三跨平面框架，柱距为6.6m，层高为3.2m，柱为矩形箱型截面柱，梁为焊接工字梁，材料均为Q235钢，所有柱脚均固结。计算简图与截面尺寸见图1。
假设火灾只发生在一层一榀框架内，在该框架梁下翼缘施加用传热学原理所得的温度场，分析步与火灾发生实际情况对应设置，分析步长也按照各温度持续时间设定。为了能够准确模拟高温下材料的非线性与温度分布的分线性，模型的所有单元均采用实体单元C3D8R，该单元为八节点六面体实体单元。梁柱接合处使用tie命令将其耦合，使二者变形协调。
图1计算简图与截面尺寸见
采用ABAQUS分析钢框架温度应力，将温度荷载按照多个分析步依次加载，分析不考虑单元的初始缺陷和参与应力的影响，高温下结构钢的力学性能按照参考资料中所述采用。材料的非线性按照Von Mises屈服准则及其相应的流动法则，几何非线性按照大应变，大变形。
2.2 标准升温曲线
目前，许多做结构抗火设计都是选用标准升温曲线，各国采用的标准升温曲线稍有不同，我国采用的是国际标准组织制定的ISO834标准升温曲线（如图2），其表达式如下：
是指环境温度，一般取20℃，在本文的分析中，由于在FDS中设定环境温度为22℃，所以为了对比，在计算标准升温曲线时，同样将环境温度取为22℃。
图2. ISO834标准升温曲线
2.2 钢框架分析
通过计算可以看出，在高温下，结构的节点是抗火的关键环节，从全过程分析来看，节点处的温度应力最高，本文分别分析了真实火灾升温过程和标准升温过程，两者的结果都表明节点处的温度应力是峰值区域，虽然此处的温度不是最高，两种升温过程的整体结构应力云纹图见图3与图4。
图3 模拟火灾下高温框架应力图
图4 标准升温下高温框架应力图
在模拟升温过程中，温度先后两次达到峰值，第一次峰值300℃左右，其应力云图如图9和图11所示，最大应力出现在右节点为372.5Mpa，已经超出Q235钢的屈服极限，由于本文模拟均未考虑防火层，故钢的导热非常迅速，其应力也因此迅速增大，若考虑防火層的隔热作用，应力会较低。第二次温度峰值为175℃，此时的温度应力峰值仍旧出现在右侧节点，但应力值很低为161.5Mpa，如图5与图6。
图5模拟火灾下左侧节点应力图 图6模拟火灾下右侧节点应力图
模拟升温与标准升温产生的温度应力云图见图7与图8，模拟升温下其柱脚最大应力为80Mpa左右，而标准升温下其应力值达110Mpa，且应力云范围明显加大，但两种情况下的应力值都远小于钢的屈服应力，因此，可知在温度作用下，柱脚不是高温破坏的关键区域。
图7 模拟火灾下柱脚应力图图8 标准升温下柱脚应力图
两种升温过程下节点区的温度应力比较见图9至图12，从图中可以清晰的看到边节点的温度应力要比中节点小的多，这主要是由于周围构件对受火构件的约束作用，使得受火构件在高温下的膨胀受到限制，因此产生比较大的应力。而在标准升温过程中，温度持续上升，且钢梁下翼缘最高温度达到690℃，因此其温度应力要比模拟升温高的多，其最大应力为510.1Mpa，比模拟升温高出大约140Mpa，已经远远超出钢的屈服应力，故在标准升温下，往往需要加覆较厚的隔热保护层，以此来降低温度应力，进而使结构在高温下有更好的受力性能。在模拟升温过程中，温度场是随着火灾燃烧情况而变化的，有两次升温两次降温过程，且峰值温度都要低于标准升温，因此，即使在第一次峰值温度较高的情况下，其温度应力也比标准升温低很多。
图9 模拟火灾下左侧节点应力图图10 标准升温下左侧节点应力图
图11 模拟火灾下右侧节点应力图图12 标准升温下右侧节点应力图
3. 结论
通过本文的分析，可以看出按照标准升温计算出的温度应力与真实火灾发生过程产生的温度应力是有一定差距的，而目前的规范均是按照标准升温来计算，随着性能化设计的推广，应对规范中的这种计算方法进行一定的修正，使其更加符合实际火灾发生的变化过程。
参考文献
[1] 李国强，将首超，林贵祥.钢结构抗火设计与计算，北京，中国建筑工业出版社，2000
[2] 吴波，火灾后钢筋混凝土结构的力学性能，北京，科学出版社，2003
[3] 过镇海，时旭东，钢筋混凝土的高温性能及其计算，北京，清华大学出版社，2003
[4] 庄茁，张帆，岑松，ABAQUS非线性有限元分析与实例，北京，科学出版社，2005
[5] NFPA92B, Guide for Smoke Management Systems in Mall,Atria,and Large Areas2000 Edition [M]. USA:National Fire Protection Association, 2000.
[6] ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No.78 ,Structural Fire Protection ,Published by ASCE ,New York
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。