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第九届全国现代结构工程学术研讨会 火灾下网架结构的性能分析 邱林波 薛素铎 (北京工业大学空间结构研究中心，北京100124) 提要：基于火灾下某一网架结构的非线性有限元分析，对不同火源面积下网架结构的温度场分布，应力状态和位移特征进 行了研究，结果表明在2小时火灾下，网架结构发生局部破坏，未发生整体破坏；火源面积越大，结构越容易破坏， 破坏的构件越多。 关键词：火灾，网架结构，性能，有限元分析 一、引言 二十世纪的工业革命极大地推动了建筑科学的发展，随着生活水平的提高，人们从事生产和社会活动 对更大跨度的空间提出了需求。大跨空间结构既能满足建筑平面、空间和造型的要求，跨越足够大的跨度， 又具有更好的技术经济指标，在世界各国得到了迅速发展【lj。网架结构是一种应用范围很广的空间网格结 构形式，现主要用于体育馆、俱乐部、展览馆、影剧院、仓库和飞机库等大型建筑物中【2】。网架结构由于 具有重量轻、刚度大、抗震性能好的优越性，近几十年来在我国发展很快。从20世纪80年代开始，网架 结构的发展在全国遍地开花，现在我国被世人誉为“网架王国，，【¨。网架结构主要是以钢材为母材，但是 钢材的耐火性能很差。研究证明温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600 ℃时，钢材基本丧失了全部强度和刚度。而一般火场的温度为800℃-1000℃，因此一旦发生火灾，结构 就会很容易发生严重的破坏，甚至整体倒塌，给人员的疏散和火灾的扑救造成极大的困难，且加大了火灾 后的修复难度【3】。随着一些钢结构在火灾时发生局部破坏或整体倒塌，人们越来越重视结构(尤其是大空 间结构)在火灾下的安全问题【4】。因此国内外的研究者们对各种钢构件、子结构甚至整体结构在火灾下的 耐火性能进行了试验和理论研究【5，6l。但是对网架结构火灾下的性能研究还比较少见。范圣刚等[71结合某影 视制作中心摄影棚屋面螺栓球节点网架结构在国际标准升温曲线下失火后的勘察鉴定与残余承载力的分 析。对该网架结构提出了失火后采用结构部分拆除来进行加固修复的原则。李国强，郭世雄等瞄1利用结构 性能化抗火设计思想，对上海南站钢屋盖结构进行了火灾安全评估。罗涛例利用区域模型编制计算机程序 对预应力网架结构空间温度场进行计算，然后对预应力网架结构进行了火灾高温分析。JYRichardLiew【luJ 对真实火灾采用多区域和热辐射模型进行了模拟，对结构的瞬态热传导采用有限元方法进行计算，基于性 能化的抗火研究方法，对多层框架和大跨拱形桁架进行了火灾极限状态分析。网架结构火灾下的性能研究 处于起步阶段，因此本文对一个正放四角锥网架结构火灾下的性能进行了非线性有限元分析，研究其温度 场分布、应力状态和位移特征，得出了一些实用的结论，可以为今后的网架结构抗火设计提供理论依据。 二、有限元分析模型 (一)网架结构的几何参数 3m，厚度 本文研究的网架结构平面尺寸为45mX45m。其屋盖采用正放四角锥结构，网格尺寸是3mX 2．4m，上弦标高9m，钢构件为圆钢管，节点采用焊接空心球。钢材的屈服强度是235MPa，采用四面支撑 方式。网架结构的平面布置图如图I所示。 基金项目：北京市自然科学基金(8082004) 370 工业建筑2009增刊 第九届全国现代结构工程学术研讨会 I．一一 垒墨 ．I 图1网架结构平面布置图 (二)火源模型 网架结构抗火研究可分为两大部分：对火的分析和对结构的火反应分析H川。建筑室内火灾的发展过程 对其结构热力响应行为有重要影响，火灾将导致结构的温度升高，承载能力降低，变形增大，最终可能造 成建筑结构的整体倒塌u刳。因此火灾升温曲线模型的确定是研究结构火灾下力学性能的基础。对于空间结 构等大空间的结构，建筑内部面积和高度均较大，而火荷载密度却相对较低。火灾的发展状态与一般室内 (通常指体积大小数量级约为lOOm3，且长宽比不大的空间)