火灾下钢框架结构抗倒塌能力影响参数分析摘要：本文运用ANSYS有限元分析软件对两层单跨钢框架结构进行火灾模拟分析，分别考虑着火位置、初始荷载水平、梁柱线刚度比等因素对火灾下钢框架结构整体性能以及抗连续性倒塌能力的影响。结果表明，钢结构受火层从上层移至下层，梁跨中相对位移增大，耐火时间缩短，结构内力变化更为显著，整体性能和抗倒塌能力变差;增加初始荷载值，梁跨中相对位移增加，耐火时长缩短，结构内力明显增大，结构的抗火能力和抗倒塌能力变弱;减小梁柱线刚度比，耐火时长大大增加，梁内力变化幅度变小，可提高钢结构的整体性能和抗倒塌能力。关键词：ANSYS;有限元;钢框架;火灾;抗倒塌能力1引言随着科学技术的进步和经济社会的快速发展，钢结构在建筑工程中得到了广泛应用。钢结构相对于其它材料结构有很多优势，但是，钢结构的耐火性能极差，其材料特性随着温度的升高而迅速降低。发生火灾时，结构内部能够在短时间内迅速升温至几百度甚至上千度。随着火灾温度升高和损伤的累积，钢结构的材料性能逐渐劣化，结构内部逐渐产生大变形和内力重分布，大大削弱了结构的整体性能，使钢结构发生严重的破坏，甚至过早的整体倒塌，造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，研究框架结构的整体抗火性能和抗连续倒塌能力十分必要。目前，国内外已经做了大量的结构高温试验，抗火理论也较为完善，但较多的是对单个的梁、柱构件进行研究分析，对整体框架的研究较少;火灾试验费用较高，试验过程难以控制，不能全面考虑某单一变量对框架结构的影响，而进行数值模拟分析对计算机性能要求高，往往需要很长的计算时间。本文以一单跨双层平面钢框架结构为例，利用ANSYS软件的热力耦合功能分析了着火位置、初始荷载水平、梁柱线刚度比等因素对火灾下钢框架结构的整体性能及抗连续性倒塌能力的影响。分析结果可以指导设计人员设计出合理的耐火保护措施，达到安全、经济、可靠的抗火设计目的。2有限元模型的建立图1两层单跨钢框架结构模型本文所选取的1跨2层平面钢框架结构模型如图1所示，跨长6m，层高3m，梁柱尺寸分别为H400×150×8×10和H300×300×10×16。左右端固定，梁上有均布荷载，钢框架结构三维模型见图1。钢材的密度取为7850Kg/m3;钢材的导热性、比热采用EUROCODE3规范所规定的数值，钢材热工性能见表1、表2。钢材的热膨胀系数αs=l.4×10-5，常温下的屈服应力ƒy=235×106N/m2;图2为钢材随温度变化的应力-应变关系曲线，图中共给出10个参考温度，每个温度时的应力-应变由3个点描述。表1钢材的导热系数取值温度/℃201009001000导热系数/W/(m×℃)53.33450.6727.3627.36表2钢材的比热取值温度℃20100200300400500600比热J/(kg×℃)439.8487.62529.76564.74605.88666.5759.92温度℃720735800900100011001200比热J/(kg×℃)13885000832.42650650650650图2钢材随温度变化的应力-应变关系曲线图3ISO-834标准升温曲线假定该梁所在空间温度按ISO-834标准火模型上升，定义标准火升温曲线函数：T=20+345log10(8t+1)，式中：T为温度，t为时间。温度曲线如图3所示。假定梁和柱的构造形式如图所示柱的腹部有砖墙，因此，仅朝受火单元的翼缘受到热作用。梁上部托混凝土楼板，因此，除上翼缘上表面外的所有表面均受到热作用，如图4中虚线所示为受热边界。热量以对流和辐射的形式从热空气传递到结构表面，又以传导的形式在结构内部传播。(a)梁(b)柱图4梁、柱受火形式3计算结果分析3.1受火位置分析(1)变形分析本模型建立的双层单跨钢框架结构，在楼层受到相同的均布荷载下，分析讨论受火部位这项因素对钢框架整体结构安全性以及抗倒塌能力的影响。本文梁采用三面受火，柱采用一面受火，进行分析，建立的模型如图5钢框架下层受火模型和图6钢框架上层受火模型。图5钢框架下层受火模型图6钢框架上层受火模型在温度的作用下，钢材会出现不同程度的膨胀现象，梁和柱都有不同程度的拉伸，随着温度的升高，梁的相对位移也随之增加，但是柱子的轴向伸长更大，造成梁的绝对位移小于常温值(如图7、图8)，这样不能直观的反应受火梁和非受火梁跨中位移的差别。因此，本文分别对非受火层、受火层的梁跨中...
