K8型單層球面網(wǎng)殼的性能化防火研究

賀擁軍，歐陽峰

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K8型單層球面網(wǎng)殼的性能化防火研究

賀擁軍，歐陽峰

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

以凱威特K8型單層球面網(wǎng)殼為研究對(duì)象，選用高大空間火災(zāi)空氣溫升曲線模擬3種火災(zāi)場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)的非均勻溫度場(chǎng)，利用有限元軟件ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)全過程分析，得出結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的位移特征、內(nèi)力變化、極限荷載和失穩(wěn)模態(tài)，闡明不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(荷載比、矢跨比、跨度)對(duì)耐火時(shí)間和極限位移的影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下的最不利情況和破壞形式，結(jié)合雙層球面網(wǎng)殼的抗火優(yōu)勢(shì)，采用性能化防火設(shè)計(jì)方法，得到單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)防火改進(jìn)的一般規(guī)律，達(dá)到延長結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間，提高結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下彈塑性極限承載力的目的。

K8型球面網(wǎng)殼；非均勻溫度場(chǎng)；全過程分析；抗火性能；性能化防火設(shè)計(jì)

近年來，大空間建筑結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)獲得迅速發(fā)展。而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是眾多大空間建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為普遍的形式之一，具有剛度大、自重輕、整體性強(qiáng)和形態(tài)優(yōu)美等特點(diǎn)。然而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)多以鋼管或型鋼構(gòu)成，其耐火性能較差，高溫會(huì)使鋼材的彈性模量和屈服強(qiáng)度降低，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定承載力造成很大影響，是結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一[1?2]。我國現(xiàn)階段采用的基于指令性規(guī)范的防火設(shè)計(jì)方法已無法滿足結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜的大空間建筑，而一種基于性能化的全新防火設(shè)計(jì)理念被逐漸引入到科學(xué)研究和工程實(shí)踐中[3?5]。該方法先根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)定結(jié)構(gòu)防火目標(biāo)，再以此為基礎(chǔ)定性和定量地分析和評(píng)估建筑火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危險(xiǎn)和后果，以期獲得最佳的防火改進(jìn)方案。本文采用高大空間建筑火災(zāi)的升溫公式和歐洲規(guī)范EC3的材料模型，以耐火時(shí)間和彈塑性極限承載力作為性能指標(biāo)，對(duì)K8型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的抗火性能進(jìn)行分析，研究其最不利情況。依照性能化防火設(shè)計(jì)理念設(shè)定防火目標(biāo)為：延長耐火時(shí)間，提高火災(zāi)下的彈塑性穩(wěn)定承載力，避免在高溫作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗火性能分析，制定最佳的防火改進(jìn)方案。

1 結(jié)構(gòu)模型及計(jì)算方法

1.1 模型幾何參數(shù)

算例結(jié)構(gòu)模型高度為20 m，由上部屋蓋結(jié)構(gòu)和下部柱型結(jié)構(gòu)組成。其中上部屋蓋結(jié)構(gòu)選用K8型單層球面網(wǎng)殼，跨度40 m，矢高8 m，由169個(gè)剛接節(jié)點(diǎn)和456根桿件組合而成，采用周邊固支約束，如圖1所示。桿件采用BEAM188單元進(jìn)行模擬，截面為133×4，材料選用Q345無縫鋼管，遵循Von Mises屈服準(zhǔn)則；下部柱形結(jié)構(gòu)高度為12 m，占地面積為1 256.64 m2，中央位置為空地，階梯式看臺(tái)環(huán)繞四周，單側(cè)看臺(tái)寬度為8 m，最高點(diǎn)離地8 m，如圖1所示。

單位：m

1.2 火源簡化模型

由于火災(zāi)燃燒的過程極其復(fù)雜，為了方便數(shù)值模擬，將火源簡化為2型的時(shí)間平方火[6]。本算例分析大功率火災(zāi)下的不利情況，取火源最大熱釋率為25 MW，此時(shí)可將火源模型簡化為底部直徑為7.98 m，高為5.36 m的圓錐體[7]。

1.3 火源位置選取

火源位置與結(jié)構(gòu)的非均勻溫度場(chǎng)有著緊密聯(lián)系，為了研究溫度場(chǎng)分布的普遍規(guī)律，綜合火源位置的概率分布，可大致分為3種火災(zāi)場(chǎng)景[8]，每種場(chǎng)景均選取合理測(cè)點(diǎn)以便研究，如圖2所示。

1) 場(chǎng)景1：火源位于地面中心位置，選取A~D 4個(gè)測(cè)點(diǎn)；

2) 場(chǎng)景2：火源位于1/4跨地面處(測(cè)點(diǎn)D下方)，選取A~E 5個(gè)測(cè)點(diǎn)；

3) 場(chǎng)景3：火源位于墻角看臺(tái)處，看臺(tái)離地高度為8 m，選取A~F 6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(a) 場(chǎng)景1；(b) 場(chǎng)景2；(c) 場(chǎng)景3

1.4 計(jì)算分析過程

采用增量有限元法對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)火災(zāi)進(jìn)行全過程分析：先建立任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的增量平衡方程，再采用Newton-Raphson線性逼近[9]方法對(duì)該方程進(jìn)行平衡路徑追蹤，最后運(yùn)用弧長法技術(shù)完成火災(zāi)下的全過程分析[10]。整個(gè)分析過程中需考慮溫度內(nèi)力的影響。

1.5 有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，以一單層門式剛架進(jìn)行說明[6]。見 圖3。

圖3 門式剛架及主要參數(shù)

屋面恒載取0.3 kN/m2，活載取0.5 kN/m2，鋼材采用BEAM189單元模擬，其彈性模量與屈服強(qiáng)度選用ECCS規(guī)定，應(yīng)力?應(yīng)變曲線采用雙線性各向同性強(qiáng)化材料模型，研究中間屋脊點(diǎn)在火災(zāi)下的力學(xué)響應(yīng)，如圖4所示。當(dāng)剛架梁的節(jié)點(diǎn)位移超過跨度的1/200時(shí)，可判定結(jié)構(gòu)失效，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)危險(xiǎn)性高，不利于消防救援。由圖4可知實(shí)測(cè)時(shí)間22 min，數(shù)值模擬時(shí)間25 min，兩者比較接近，誤差在合理范圍內(nèi)，可驗(yàn)證有限元軟件ANSYS計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖4 中心節(jié)點(diǎn)力學(xué)響應(yīng)

2 非均勻溫度場(chǎng)的分布

由杜詠等[11]提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得高大空間火災(zāi)的升溫曲線，再由增量法計(jì)算求得無防火保護(hù)層的鋼構(gòu)件溫度，3種火災(zāi)場(chǎng)景下各測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖5所示?？梢钥闯龌馂?zāi)發(fā)生初期溫度增長較慢，隨后進(jìn)入到溫度迅速增長的階段，當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行到約3 000 s時(shí)，溫度趨于平穩(wěn)。結(jié)合3種場(chǎng)景下各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)，分析得出非均勻溫度場(chǎng)分布的一般規(guī)律：離火源水平位置越近的節(jié)點(diǎn)，其溫度增長越快，溫度梯度越大；離火源位置水平越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，其溫度增長越慢，溫度梯度越?。挥捎诰W(wǎng)殼的球面形狀會(huì)產(chǎn)生熱煙氣匯聚效應(yīng)，故場(chǎng)景2和3中的A點(diǎn)溫度要大于B和C點(diǎn)的溫度。3種場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的鋼構(gòu)件的最高溫度都超過了600 ℃，而此時(shí)鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量則降低到常溫的1/5，結(jié)構(gòu)基本上喪失承載能力，所以研究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗火性能是很有必要的。

(a) 場(chǎng)景1；(a) 場(chǎng)景2；(c) 場(chǎng)景3

3 火災(zāi)作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

對(duì)K8單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火性能分析可分為2個(gè)階段：第1階段采用恒載升溫，按荷載比0.5加載，并考慮結(jié)構(gòu)自重，研究網(wǎng)殼在溫度場(chǎng)中的位移特征和內(nèi)力變化，得出結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間，并分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耐火時(shí)間和極限位移的影響；第2階段采用等溫加載，研究結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中特定時(shí)間點(diǎn)的彈塑性承載能力和失穩(wěn)模態(tài)，掌握結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的位移動(dòng)態(tài)發(fā)展，并預(yù)測(cè)薄弱環(huán)節(jié)。因K8型單層網(wǎng)殼對(duì)荷載不對(duì)稱分布不敏感[9]，故本算例采用滿跨均布荷載，所有荷載轉(zhuǎn)化為等效集中荷載施加于節(jié)點(diǎn)上。

3.1 位移特征

對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，可獲得3種火災(zāi)場(chǎng)景下各節(jié)點(diǎn)的位移—時(shí)間曲線，該曲線直觀地表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的整體變形規(guī)律。其中，結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間由曲線中拐點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)刻來確定，對(duì)應(yīng)的最大節(jié)點(diǎn)位移即為結(jié)構(gòu)的極限位移，此時(shí)也是結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中承載的最不利時(shí)刻。由于溫度場(chǎng)的非均勻分布導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的非均勻性，使得結(jié)構(gòu)上各節(jié)點(diǎn)的拐點(diǎn)并非在同一時(shí)刻出現(xiàn)，但經(jīng)過分析比較后發(fā)現(xiàn)，各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)比較接近，可將拐點(diǎn)最先出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)視為結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間點(diǎn)[12]。圖2選取代表性測(cè)點(diǎn)，能夠反映不同區(qū)域的溫度變化情況，其位移時(shí)間曲線如圖6所示。

由圖6可知，各測(cè)點(diǎn)在火災(zāi)下首先會(huì)發(fā)生向上的位移,整個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出向上隆起的特征。隨著溫度的不斷升高，火源上方區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位移增長較快，最先到達(dá)拐點(diǎn)后回落。這是因?yàn)樵诨馂?zāi)初期時(shí)，鋼材的彈性模量和屈服強(qiáng)度變化不大，熱膨脹作用對(duì)節(jié)點(diǎn)位移的影響占主導(dǎo)地位。由于溫度場(chǎng)的分布不均勻，火源上方區(qū)域的溫度增長較快，鋼材在高溫下逐漸軟化，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移變化。結(jié)合表1可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 節(jié)點(diǎn)位移受溫度場(chǎng)非均勻分布的影響較大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)離火源的水平距離越近時(shí)，其位移增長越快，越容易出現(xiàn)拐點(diǎn)，經(jīng)過拐點(diǎn)后位移值迅速回落；當(dāng)節(jié)點(diǎn)離火源的水平距離越遠(yuǎn)時(shí)，其位移增長越慢，并逐漸進(jìn)入平穩(wěn)階段；

(a) 場(chǎng)景1；(a) 場(chǎng)景2；(c) 場(chǎng)景3

2) 通常情況下，中心頂點(diǎn)的位移值最大，這是因?yàn)榛馂?zāi)產(chǎn)生的熱煙氣會(huì)沿著球面向上流動(dòng)，最終匯集于中心頂點(diǎn)，形成熱煙氣的匯聚效應(yīng)；

3) 火源位置離邊緣看臺(tái)越近時(shí)，結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間越小。其中，場(chǎng)景3對(duì)應(yīng)最不利火災(zāi)情況，此時(shí)結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間最短，變形最大，火源所在半邊區(qū)域的主肋桿及其附近節(jié)點(diǎn)會(huì)逐漸下陷，位移由正值變?yōu)樨?fù)值，故應(yīng)加強(qiáng)看臺(tái)區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)控。

表1 結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間及極限位移

按荷載比0.5加載是結(jié)構(gòu)最不利情況的一種形式，為分析結(jié)構(gòu)在一般設(shè)計(jì)荷載下的耐火性能，取恒載為0.5 kN/m2，活載為0.5 kN/m2，由計(jì)算出的位移?時(shí)間曲線求得此時(shí)結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間和極限位移如表2所示?？梢钥闯?，此時(shí)結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間和極限位移都相對(duì)比較大。

表2 結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間及極限位移

注：“—”表示耐火時(shí)間超過100 min

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耐火時(shí)間的影響

為探究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)耐火時(shí)間和極限位移的影響，選取合理數(shù)值進(jìn)行計(jì)算分析，荷載比分別取0.4，0.5和0.6，矢跨比分別取1/4，1/5，1/6和1/7，跨度分別取為35，40，45和50 m，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的耐火時(shí)間和極限位移如表3~5 所示。

表3 荷載比的影響(跨度40 m，矢跨比1/5)

分析并比較表中結(jié)果可以看出：

1) 在同一火源場(chǎng)景下，跨度和矢跨比一定時(shí)，荷載比越大，結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間越短，極限位移越?。划?dāng)跨度和荷載比一定時(shí)，矢跨比越小，耐火時(shí)間越短，極限位移越大；當(dāng)矢跨比和荷載比一定時(shí)，跨度越大，耐火時(shí)間越短，極限位移越大。

2) 對(duì)于不同火源場(chǎng)景而言，結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間和極限位移的變化情況同3.1中所述結(jié)論一致。

表4 不同矢跨比的影響(跨度40 m，荷載比0.5)

表5 不同跨度下的影響(矢跨比1/5，荷載比0.5)

3.3 桿件內(nèi)力變化

隨著火災(zāi)的發(fā)展，單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的部分桿件先失效，并逐漸影響至整個(gè)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致整體失穩(wěn)，這些可能先失效的桿件即為關(guān)鍵桿件[13]，可由桿件的溫度應(yīng)力比來確定。分析發(fā)現(xiàn)：與支座相連的環(huán)桿最容易破壞，是防火保護(hù)的重點(diǎn)部位；隨著火災(zāi)的發(fā)展，關(guān)鍵桿件集中出現(xiàn)在第1，2環(huán)環(huán)桿、次外環(huán)環(huán)桿以及與第1環(huán)相交的肋桿處，而其他環(huán)桿的溫度應(yīng)力比不大，具有較大的安全容留度；肋桿的應(yīng)力值由中心沿徑向呈遞減的趨勢(shì)，其中與最外環(huán)相連的肋桿由壓桿變?yōu)槔瓧U；與最外環(huán)相交的斜桿，其溫度應(yīng)力的上升幅度較大，雖然留有較大的溫度應(yīng)力增長空間，但與其相連的最外環(huán)環(huán)桿在火災(zāi)初期即退出工作，所以這部分斜桿在設(shè)計(jì)時(shí)需要引起重視，而其他斜桿安全容留度很大，可以不做防火保護(hù)。具體數(shù)據(jù)略。

3.4 彈塑性穩(wěn)定極限承載力

由于火災(zāi)溫度的升高，鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量不斷降低，導(dǎo)致網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的彈塑性極限承載能力產(chǎn)生明顯變化。計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷，最大偏差取跨度的1/300，得出各火災(zāi)場(chǎng)景下彈塑性極限承載力的變化情況如圖7所示。其中常溫下結(jié)構(gòu)的極限荷載為26.5 kN/m2。

圖7 火災(zāi)對(duì)極限荷載的影響

分析可知，結(jié)構(gòu)極限承載力的變化和溫度場(chǎng)的變化有著緊密聯(lián)系：在火災(zāi)初期，極限荷載出現(xiàn)小幅增長，且火源位置越靠近地面中心時(shí)，增長幅度越大，持續(xù)時(shí)間越長。這是由于火災(zāi)初期時(shí)溫度場(chǎng)升溫幅度較小，鋼材性能變化不大，熱膨脹作用占據(jù)主導(dǎo)，整個(gè)結(jié)構(gòu)向上隆起，不但抵御了外荷載的作用，而且抵消了初始缺陷的影響，使得極限荷載出現(xiàn)小幅增長。而當(dāng)火源位置處于地面中心時(shí)，溫度場(chǎng)沿中心均勻分布，熱膨脹作用更加明顯，故極限荷載增長幅度更大，持續(xù)時(shí)間更長；而隨著火災(zāi)的發(fā)展，鋼材逐漸軟化，極限荷載迅速減?。蛔罱K，當(dāng)火災(zāi)溫度場(chǎng)趨于平穩(wěn)時(shí)，極限荷載的變化也逐漸進(jìn)入平穩(wěn)階段，此時(shí)場(chǎng)景3中對(duì)應(yīng)的極限荷載已低至常溫時(shí)的0.2。整個(gè)過程反映出極限荷載與升溫曲線之間呈負(fù)相關(guān)。

3.5 失穩(wěn)模態(tài)

研究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)在不同火災(zāi)階段的變化規(guī)律，可以動(dòng)態(tài)掌握結(jié)構(gòu)的位移發(fā)展情況，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)不同火災(zāi)時(shí)刻下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈曲分析，提取前3階失穩(wěn)模態(tài)。比較分析第1階失穩(wěn)模態(tài)發(fā)現(xiàn)，3火災(zāi)場(chǎng)景初期的失穩(wěn)模態(tài)較為相似，屈曲多出現(xiàn)于火源上方區(qū)域，主要表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的無規(guī)律上凸或下凹。進(jìn)入到迅速升溫階段時(shí)，各火災(zāi)場(chǎng)景的失穩(wěn)模態(tài)均發(fā)生了根本性的變化：當(dāng)火源位于地面中心時(shí)，屈曲均勻地分布在結(jié)構(gòu)周邊靠近支座的區(qū)域，表現(xiàn)為該區(qū)域節(jié)點(diǎn)沿環(huán)向的上下起伏，且次外環(huán)環(huán)桿和主肋桿交點(diǎn)處上凸明顯；隨著火源向周邊看臺(tái)方向移動(dòng)時(shí)，離火源水平距離較近的次外環(huán)環(huán)桿，其屈曲程度逐漸加強(qiáng)，離火源水平距離較遠(yuǎn)的次外環(huán)環(huán)桿，其屈曲程度慢慢減弱。隨后溫度場(chǎng)變化趨于平穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)形式不再發(fā)生較大變化，基本保持穩(wěn)定。極限耐火時(shí)刻的失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示。

(a) 場(chǎng)景1；(a) 場(chǎng)景2；(c) 場(chǎng)景3

4 結(jié)構(gòu)抗火改進(jìn)

4.1 防火方案說明

根據(jù)前文所做的抗火性能分析，可以確定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件和薄弱環(huán)節(jié)，擬定具體的防火改進(jìn)方案為：選擇全部肋桿、全部環(huán)桿以及一端與支座相連、另一端與肋桿相連的斜桿噴涂防火涂料，涂料選用室外用薄涂型SWB防火涂料，噴涂厚度為5.5 mm；對(duì)第2環(huán)和第5環(huán)布設(shè)椎體結(jié)構(gòu)，從而形成局部加強(qiáng)的雙層結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

(a) 噴涂防火涂料；(b) 局部加強(qiáng)雙層結(jié)構(gòu)

4.2 耐火時(shí)間

對(duì)改進(jìn)后的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，得出各火源場(chǎng)景下測(cè)點(diǎn)的位移—時(shí)間曲線，如圖10所示，將其與圖6曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)位移值下降，離火源水平距離較近的測(cè)點(diǎn)，其變化起伏減小，同時(shí)拐點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)刻向后延遲。

表6 結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間與極限位移

防火改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間和極限位移如表6所示，該方案使整體結(jié)構(gòu)向上凸起的程度降低，耐火時(shí)間有較大幅度的增長，為人員疏散和消防救援工作提供了充足時(shí)間，滿足設(shè)定的防火目標(biāo)之一。同時(shí)中心頂點(diǎn)的位移值大大降低，表明該方案還可以有效地防御因熱煙氣的匯聚效應(yīng)而引起的結(jié)構(gòu)變形破壞。

(a) 場(chǎng)景1；(a) 場(chǎng)景2；(c) 場(chǎng)景3

4.3 彈塑性穩(wěn)定極限承載力

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性極限承載力計(jì)算，其中常溫下結(jié)構(gòu)的極限荷載為32.48 kN/m2。圖11中曲線的整體變化過程與圖8的曲線基本一致，而改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在同一火災(zāi)場(chǎng)景下各時(shí)刻點(diǎn)的極限荷載均有明顯提高，如在第3 000 s的溫度場(chǎng)作用下，各場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)極限荷載分別提高了64.8%，94.5%和187.5%，表明該方案能極大提高結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下的承載能力，并有效控制結(jié)構(gòu)在高溫作用下的整體失穩(wěn)，滿足另一防火目標(biāo)。

圖11 火災(zāi)對(duì)極限荷載的影響

5 結(jié)論

1) 節(jié)點(diǎn)位移受溫度場(chǎng)非均勻分布的影響很大，離火源水平距離越近的節(jié)點(diǎn)，變形程度越大，越容易出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)火源位置從中心沿徑向移動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間減小，當(dāng)火災(zāi)出現(xiàn)在邊緣看臺(tái)時(shí)，對(duì)應(yīng)著火災(zāi)的最不利情況，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的監(jiān)控。

2) 結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間和極限位移主要受荷載比、矢跨比和跨度的影響，在結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)時(shí)，宜選擇合適的跨度范圍，再通過增大矢高、減小荷載比來延長耐火時(shí)間。

3) 火災(zāi)作用下關(guān)鍵桿件集中于第1和2環(huán)環(huán)桿、次外環(huán)環(huán)桿、與第1環(huán)相交的肋桿以及與支座相連的環(huán)桿處，需要做重點(diǎn)防火保護(hù)。

4) 結(jié)構(gòu)的極限承載力受火源位置和非均勻溫度場(chǎng)的影響較大，并與溫升曲線呈負(fù)相關(guān)。

5) 從火災(zāi)初期至結(jié)構(gòu)極限耐火時(shí)刻，失穩(wěn)模態(tài)經(jīng)歷了2種形式的變化：在火災(zāi)初期時(shí)，屈曲出現(xiàn)于火源上方區(qū)域，主要表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的無規(guī)律上凸或下凹；隨著溫度迅速上升，失穩(wěn)模態(tài)發(fā)生了根本性變化，屈曲主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周邊靠近支座的區(qū)域。

6) 采用性能化防火設(shè)計(jì)理念對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的防火改進(jìn)，能有效延長結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間，提高結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的穩(wěn)定承載力，滿足設(shè)定的防火目標(biāo)。

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(編輯 陽麗霞)

Research on performance-basedfire-resistance of K8 single-layer spherical latticed dome

HE Yongjun, OUYANG Feng

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

A full-range analysis of K8 single-layer spherical latticed dome was carried out by ANSYS at elevated temperature obtained through taking temperature-rising curve in the large space fire to simulate non-uniform temperature field of three fire situations. The displacement characteristic, stress change, ultimate load and buckling mode of the structure in the fire were obtained, clarifying the influence of different structural parameters(load ratios ,rise-span ratio, span) on the fire-resistant time and ultimatedisplacement. According to the most unfavorable situation and the damage form of the structure under the fire, combined with the fire resistance of double-layer spherical latticed dome, the general fire resistance improvement rule of single layer spherical latticed dome is obtained by the performance-based fire safety design to improve the fire-resisting period and elasto-plastic stability under the fire.

K8 spherical latticed dome; non-uniform temperature field; whole process analysis; fire resistance; performance-based fire safety design

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.024

TU392.3

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1291 ? 08

2018?05?09

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0701201)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878261，51890902)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)滾動(dòng)資助計(jì)劃項(xiàng)目(湘財(cái)教指(2015)616號(hào))

賀擁軍(1970?)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士，從事鋼結(jié)構(gòu)及大跨空間結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用研究；E?mail：hyj0087@163.com