大跨鋼結(jié)構(gòu)抗火敏感性分析

1摘要：利用軟件SAP2000和ABAQUS對(duì)某大跨鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出兩種軟件在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火分析時(shí)的適用范圍，并研究溫差對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能影響的敏感性，得出的結(jié)論可供類似項(xiàng)目參考。隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗火認(rèn)識(shí)的不斷深化和結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算及設(shè)計(jì)理論研究的不斷深入，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的方法也在不斷發(fā)展。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，其抗火設(shè)計(jì)方法的發(fā)展可分為4個(gè)階段：基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法；基于計(jì)算的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法；基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法；考慮火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法[1-3]。本文主要采用有限元方法對(duì)第4階段的抗火設(shè)計(jì)方法進(jìn)行一些探討。因火災(zāi)的發(fā)生具有隨機(jī)性，且火災(zāi)發(fā)生后空氣升溫的變異性很大，要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗火的概率可靠度設(shè)計(jì)，必須考慮火災(zāi)及空氣升溫的隨機(jī)性，這就涉及到敏感性分析問題?；疬^程，計(jì)算為恒溫環(huán)境；不能定義材料非線性變化過程曲線，因?yàn)檎鎸?shí)情況是材料的本構(gòu)關(guān)系隨著溫度變化而變化，所以隨著溫度的升高材料表現(xiàn)出高度非線性，其計(jì)算結(jié)果的誤差就會(huì)越來越大，需要確定SAP復(fù)雜問題的求解和非線性分析見長，可以方便地定義表現(xiàn)構(gòu)件真實(shí)受火過程的溫升曲線和材料非線性，計(jì)算結(jié)果更接近于真實(shí)情況。文獻(xiàn)[1]用2ABAQUS對(duì)某超高層整體結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行了分析研究。國際上用ABAQUS進(jìn)行抗火分析的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。2計(jì)算模型概述本文工程背景為某大跨鋼結(jié)構(gòu)，部分模型如圖1所示，取中間一榀進(jìn)行研究，該結(jié)構(gòu)為三角管桁架張弦結(jié)構(gòu)，跨度68m。模型分別用SAP2000和ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，均為整體受火。兩軟件采用的單元和構(gòu)件尺寸如表1所示。兩軟件均以預(yù)應(yīng)力和自重為初始條件，其中SAP2000通過施加預(yù)應(yīng)變的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的施加，ABAQU況為“恒荷載+0.7活荷載+火荷載”。鋼材在高溫環(huán)境中表現(xiàn)出非線性特性，彈性模量E隨溫度T的變化而發(fā)生變化。在ABAQUS中可以定義這種表現(xiàn)鋼材本構(gòu)關(guān)系隨溫度變化的曲線；SAP2000則不能定義此種曲線和溫升曲線，相當(dāng)于恒溫環(huán)境。模型選用了兩種鋼材，這里記為M1和M2，拉索的材料為M2，取材料的泊松比為恒定值0.3。SAP2000軟件中材料定義如表23表1兩軟件所采用的單元和構(gòu)件尺寸構(gòu)件SAP2000ABAQUS柱Cbar單元,Tube,1.01)×0.942)B31單元,Pipe,1.01)×0.063)上弦桿Cbar單元,Tube,0.3251)×0.292)B31單元,Pipe,0.3251)×0.0353)腹桿Cbar單元,Tube,0.121)×0.112)B31單元,Pipe,0.121)×0.013)拉索Conrod單元,R=0.5Truss單元,R=0.5表2不同溫度下SAP2000軟件采用材料的彈性模量E4材料溫度/℃E/1011Pa材料溫度/℃E/1011PaM11502.062001.952501.803001.643501.544001.44M21501.952001.852501.753001.643501.544001.4453火災(zāi)計(jì)算軟件敏感性分析為了考察兩軟件計(jì)算結(jié)果的差異，分別對(duì)溫度為150，200，250，300，350，400℃時(shí)的情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)整體受火時(shí)，各構(gòu)件之間受火均勻、沒有溫差，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。表3不同最高溫度下構(gòu)件軸力及誤差構(gòu)件桿號(hào)150℃SAP2000/kNABAQUS/kN誤差/%200℃SAP2000/kNABAQUS/kN誤差/%250℃SAP2000/kNABAQUS/kN誤差/%300℃SAP2000/kNABAQUS/kN誤差/%350℃SAP2000/kNABAQUS/kN誤差/%400℃SAP2000/kNABAQUS/kN誤差/%拉索左252724881.6223821932.1199619502.41783146721.51570123826.8138310302429751.6266825833.2238023013.42141166028.91896139935.5168511234123081.4204920101.9180317632.31589126825.31376103932.4118880548上弦桿444-2222.7-2157.93.0-2177.7-2128.52.3-2134.7-2082.22.5-2090.8-1967.96.2-2051.7-1924.46.6-2009.6-1869.07