大跨鋼結(jié)構(gòu)抗火敏感性分析

1摘要：利用軟件SAP2000和ABAQUS對某大跨鋼結(jié)構(gòu)進行抗火分析，根據(jù)計算結(jié)果給出兩種軟件在進行結(jié)構(gòu)抗火分析時的適用范圍，并研究溫差對結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能影響的敏感性，得出的結(jié)論可供類似項目參考。隨著人們對結(jié)構(gòu)抗火認(rèn)識的不斷深化和結(jié)構(gòu)抗火計算及設(shè)計理論研究的不斷深入，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的方法也在不斷發(fā)展。對于鋼結(jié)構(gòu)，其抗火設(shè)計方法的發(fā)展可分為4個階段：基于試驗的構(gòu)件抗火設(shè)計方法；基于計算的構(gòu)件抗火設(shè)計方法；基于計算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法；考慮火災(zāi)隨機性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法[1-3]。本文主要采用有限元方法對第4階段的抗火設(shè)計方法進行一些探討。因火災(zāi)的發(fā)生具有隨機性，且火災(zāi)發(fā)生后空氣升溫的變異性很大，要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗火的概率可靠度設(shè)計，必須考慮火災(zāi)及空氣升溫的隨機性，這就涉及到敏感性分析問題?；疬^程，計算為恒溫環(huán)境；不能定義材料非線性變化過程曲線，因為真實情況是材料的本構(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，其計算結(jié)果的誤差就會越來越大，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)件真實受火過程的溫升曲線和材料非線性，計算結(jié)果更接近于真實情況。文獻[1]用2ABAQUS對某超高層整體結(jié)構(gòu)的抗火性能進行了分析研究。國際上用ABAQUS進行抗火分析的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。2計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進行計算，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)計算軟件敏感性分析為了考察兩軟件計算結(jié)果的差異，分別對溫度為150，200，250，300，350，400℃時的情況進行計算，結(jié)構(gòu)整體受火時，各構(gòu)件之間受火均勻、沒有溫差，計算結(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