局部火灾引起的整体钢结构初始破坏机理与倒塌机制.pdf

建筑结构学报 第 卷 第 期 年 月 文章编号 局部火灾引起的整体钢结构初始破坏 机理与倒塌机制 陈适才 张磊 张洋 刘春阳 王玉镯 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室 北京 北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室 北京 山东建筑大学 土木工程学院 山东济南 摘要为研究局部火灾引起整体钢结构的初始破坏机理与倒塌机制对 个平面 跨 层钢框架结构的中柱进行抗火性能 试验通过试验得到受火梁柱的温度场分布和位移反应的变化规律通过测力支座得到受火中柱的轴力变化过程 结合 有限元分析研究中柱破坏引起结构倒塌的破坏机理确定了中柱屈曲温度中柱破坏温度和结构的破坏温度 研究结果 表明整体结构中受火中柱在高温下发生弱轴方向弯曲破坏同时也在受保护节点下部钢柱发生局部屈曲破坏整体结构 的初始倒塌机制表现为中柱平面外失稳弯曲的初始破坏引起上部所有约束梁的破坏局部构件的破坏并不说明整体结构 的破坏竖向荷载水平越大中柱屈曲温度破坏温度越低 关键词钢框架 测力支座 抗火试验 破坏温度 初始倒塌机制 中图分类号 文献标志码 基金项目国家自然科学基金项目 作者简介陈适才男湖北黄石人工学博士副教授 收稿日期 年 月 引言 火灾可造成建筑结构严重破坏甚至倒塌 学者 们对钢结构单个构件的抗火性能已开展了相关的试 验研究 大多采用约束构件 的火灾试验来反映 结构中约束构件受热时的火灾反应规律和破坏机 制 李晓东等对两榀 型钢单层单跨钢框架进行 了抗火性能试验研究结果表明梁柱全部受火的 单层单跨钢框架节点受到保护破坏方式为钢柱压 屈破坏 赵金城等进行了单层单跨钢框架结构的 抗火试验比较了 种不同荷载水平下的破坏形态 分析了升温速率对结构抗火性能的影响结果表明 升温速率越大结构破坏时的局部温度越高 英国 卡丁顿实验室进行了系列的整体框架结构火灾试 验 钢框架整体结构表现出与单个构件或约束构 件试验不同的反应规律如某些钢梁在温度达到 时虽然发生了较大变形但仍未破坏 目前 国内也进行了 层整体钢结构的足尺试验研究 结果表明框架结构中与混凝土楼板形成整体的边 跨梁具有较强的抗火性能 由于整体结构火灾试验 费用较高且对实验设备要求高因此目前整体结构 的火灾试验研究仍较少 火灾引起的钢结构倒塌与地震等其他作用引起 的结构倒塌破坏不同火灾一般首先引起结构的局 部初始破坏 对于多高层钢结构其初始局部破坏 可能是梁中柱边柱破坏或者梁柱同时破坏初始 破坏会引发周围梁柱的非比例破坏从而引起结构 的连续性倒塌因此火灾引起多高层钢结构的倒塌 是复杂的非线性过程 当结构遭遇火灾时柱作为 钢结构中的重要承重构件其抗火性能对整体结构 的抗倒塌能力至关重要由于柱的破坏可能会进 一步引起与其相连的周围约束构件的破坏甚至导 致整体结构的连续性倒塌 为此本文作者对多 层钢结构在火灾作用下的中柱作为初始局部破坏 开展对整体结构影响的试验研究与数值分析研究 多层钢结构倒塌的初始破坏机理和倒塌机制分析 中柱屈曲温度破坏温度和结构破坏温度以及结构 的破坏状态 试验概况 试件设计 试验设计了 个相同的 层 跨的平面钢框架结 构试件编号分别为 层层高为 层层高为 层层高为 柱距为 钢梁采用 型钢钢柱 采用 型钢强度等级均为 图 为试件几何尺寸及构造其中与中柱连接的钢 梁两端与柱采用 高强螺栓 级连接外侧 框架的梁柱采用焊接连接即中间框选部分可拆卸 两侧焊接部分框架可多次重复利用 平面框架沿东 西向放置图 为已安装好的钢框架模型及整体布 局图 为试件安装示意 图 试件几何尺寸及构造 图 试验整体布局 试验炉概况 试验在山东建筑大学火灾实验室进行 根据局 部火灾试验要求火灾试验炉采用矩形盒状布置其 尺寸为 试验炉东西 两侧炉壁各有 个 的孔口两侧钢 梁可通过孔口与外部框架拼接 上部炉盖正中心 有 个 的孔口使钢柱得以伸出与 上部结构拼接 南北炉壁两侧各均匀设置了 个燃 烧喷头东侧炉壁有 个观察口 图 为未安装炉盖 和西侧炉壁的火灾试验炉 图 火灾试验炉 防火保护 实际钢结构中楼板对钢梁上翼缘具有防火保 护作用同时可以提供平面外约束 由于实验室条 件的限制试验模型没有设置楼板而是在试验炉内 平行于梁的框架两侧设置通长夹梁图 夹梁从 东西两侧孔口贯穿夹梁与框架之间接触可滑动从 而约束框架平面外的位移同时保证节点在结构平 面内可自由变形 为了防止夹梁受火变形过大而丧 失约束作用试验时用防火涂料及防火棉包裹对其 进行保护 夹梁不仅可以提供框架受火梁的平面外 支撑还可以提供中间柱节点处的平面外支撑为了 防止结构整体平面外失稳破坏框架 层的中柱节 点处通过拉索进行了平面外约束 为研究结构局部火灾下底层中柱的初始破坏机 理框架底层中柱以及两侧钢梁未进行防火保护而 中间层中柱位于炉内部因此采用 薄型防火 涂料以及外包防火棉的方式进行防火保护 为研究 底层中柱的初始破坏形态对梁柱节点进行了防火 保护以防止节点率先发生破坏 另外为框架结构 提供平面外约束的夹梁钢梁无保护也进行了防火 保护图 图 防火保护位置 试验方案及量测 试验中仅对受火钢柱施加竖向荷载其中试件 施加 试件 施加 荷载通过液压 千斤顶施加千斤顶倒安装于上部反力架上为了避 免柱顶部受力不均匀以及便于安放传感器试验时 在柱顶部焊接一水平钢板传感器置于水平钢板上 为了使所施荷载在试验过程中始终保持在竖直方 向在节点处设置平面外拉索以限制柱顶的水平位 移图 试验过程中在南北炉壁两侧各设置一个 铠装镍铬 镍硅热电偶测定炉温试件温度通过自制 的镍铬 镍硅热电偶测量受火钢柱热电偶沿钢柱高 度 与支座距离处布置对于其 他梁柱测点仅在跨中截面进行了布置如图 所示 测量所有数据均由 系统采集并通过 线接入计算机中存储 图 加载装置 图 热电偶和位移测点 试验中测量了炉内受火钢柱中点处平面内测 点 和平面外测点 的位移以及中间层节点测 点 的竖向位移由于钼丝具有耐高温抗拉强度高 及热膨胀系数小的特点采用钼丝对炉内钢柱测点 图 的位移进行测量即在测点 处焊接 个小螺栓钼丝连接于螺栓并水平穿过炉壁引出于 炉外炉外固定 个滑轮架的装置钼丝绕过光滑瓷 管并悬挂重物图 采用直尺读数的方式记录位移 的变化 测点 位移的测量方法如图 所示通过细 丝绕过滑轮从炉顶延伸至地面上用直尺读数的方式 测量其位移 利用自制的测力支座对受火钢柱的轴力变化进 行测量 受火钢柱与测力支座采用螺栓连接测力 滚轴支座如图 所示由压力传感器钢板和滚轴等 图 位移测量方法 组成 压力传感器为厚壁圆管共 个按等腰三角 形焊接在钢板厚 上钢板下方设置一排光 面钢筋和底钢板 受火柱根部截面轴力的测量和计算 方法如下在 个压力传感器粘贴高温电阻应变片各 片试验前分别进行准确标定试验中将右侧 个 压力传感器的电阻片串联给出反力 左侧压力传 感器给出 即可求得柱根部截面轴力 图 测力支座 为了简化测量过程未进行受火钢柱底部剪力 和弯矩的测定 试验时为了避免应变片受高温损 坏高温应变片工作最高温度为 在柱根部 正下方设计为 的坑型混 凝土基础将支座用防火涂料保护并置于坑型基础 上高温应变片连接导线从坑底穿出至炉外与应变 仪连接支座短钢梁四周采用钢板填实限制支座水 平位移和转动而不限制其竖向位移然后用混凝土 块细沙及防火棉将坑填满图另外测力支座 图 测力支座安装 底部设置了 个热电偶用以监测支座处的温度变 化防止高温应变片失效 虽然厚壁圆筒压力传感 器可以较好的测量柱的轴压变化但不能测量在降 温过程中柱的拉力作用并且需要将支座布置在炉 外部或通过防火保护措施防止其温度升高而影响 测量的准确性 试验结果及其分析 试验现象 试验首先施加柱顶部竖向荷载到预定值并保持 不变点火后由于受火部分在封闭的炉内只能通 过观察孔观察火势发展情况首先可以看到局部火 焰火场处于初始燃烧阶段温度逐渐上升表明炉 内燃烧正常 随后 左右通过观察孔可看到炉 内充满火焰温度同时急剧上升 时火焰喷出 观察孔表明炉内火场进入轰燃阶段 由于受火部分 的温度上升炉外柱顶节点也在不断上升此时需要通 过调节上部千斤顶来保持竖向荷载水平不变 随着温 度进一步升高上部节点开始下降表明受火柱的性能 退化大于受热膨胀 当竖向位移快速增大时需要调 节千斤顶来保持竖向荷载水平不变直至关闭火源 温度曲线 试验过程中传递至梁柱和节点的热量主要为热 辐射 图 分别为试件 和试件 中试验 炉和梁柱等升温曲线各曲线均取各测点的平均温 度 对于试件 开启 个燃烧喷嘴故开始炉温较 梁柱温度高底层钢柱无防火保护温度上升较快 点火后约 炉温即达到 由于夹梁夹住 钢梁且夹梁外包有防火棉钢梁温度上升稍慢约 钢梁温度达到 但其最高温度较底层钢 柱低 受保护钢柱和节点温度上升最慢 点火后 时关闭喷嘴停火此后炉温和钢柱温度迅速 降低而中间层钢柱和节点温度以低速持续上升几 分钟后下降约 时上层柱温度达到 对 于试件 开启 个燃烧喷嘴温度上升较试件 变慢点火后约 时受火钢柱温度达到 由于 个试验中炉中受火温升不同所以试件升温 速率也不同但对于钢结构可以只考虑温度的影响 另外由图 可以看出测力支座温度在停火之前一 直保持在 以下表明支座防火保护很好其温度 保持在电阻应变片适用工作温度范围之内 钢柱节点位移 图 为节点竖向及平面外位移由图可见由于 钢梁和钢柱随温度的升高而产生热膨胀变形所以 试件 的钢柱温度达到 左右时钢柱节点处 向上的竖向位移达到最大值图 所测的位移虽 图 温度曲线 为节点处梁柱的组合体竖向位移但由于组合体同 步变形所以所测位移也是柱的竖向位移 随着钢 柱温度继续上升钢材力学性能迅速下降节点位移 开始回落 钢柱沿强轴弱轴弯曲失稳临界力减 小由于钢柱沿弱轴方向长细比大于沿强轴方向长 细比钢柱沿弱轴方向侧向位移开始缓慢增大而沿 强轴方向的位移变化较小侧向位移使得沿弱轴方 向附加弯矩增大在很短的时间内点火后约 就达到了较大值约 之后随着温度缓慢 上升节点竖向位移快速增大千斤顶荷载难以持续 保持表明整体结构的破坏随后停火降温 由于钢 柱受两侧钢梁约束沿强轴方向的位移增大有限钢 柱在强轴方向产生的位移小于 因此钢柱主要 因沿弱轴方向的弯曲破坏 而对试件 由于温度上 升较慢钢柱节点处向上的竖向变形缓慢且较小如 图 所示约 点火后 时钢柱膨胀 变形达到最大值 由于试件 钢柱承受的竖向荷载 小温度达到 后侧向开始产生较缓慢的变形 点火后约 时侧向位移达到最大值 由此可 见荷载水平越大钢柱发生平面外失稳破坏越快 破坏越严重 有限元分析 有限元模型建立 采用 程序建立整体结构数值模型 为 了精确考虑受火柱的局部屈曲行为采用壳单元模 拟炉内受火部分梁柱构件炉外其他梁柱构件采用 图 钢柱和节点位移 梁柱单元模拟 试验过程中在大变形时除了试验 炉内节点部分螺栓出现塑性变形外其他节点螺栓 连接基本完好所以数值模型不考虑精细的螺栓模 型而是采用梁柱刚性连接来模拟梁柱节点 常温 下的数值模拟结果表明中柱上部梁的约束刚度为 根据试验结果测得的约束刚度约为 因此采用刚性连接假设的数值模型符合实 际情况 为了考虑初始缺陷的影响有限元分析时对 中柱施加 的侧向荷载即相当于中柱具有正 弦形状的初始缺陷并且其幅值为柱高的 另 外有限元分析模型中材料采用 中提供的 模型并且受火部分的温度场采用试验中测得的平 均温度如图 所示 有限元分析结果与试验结果对比 图 给出了有限元分析结果与试验结果的对 比由图可见结构反应与约束柱的火灾反应类似 其破坏可以分为三个阶段即中柱屈曲前屈曲和屈 曲后阶段 而试验中屈曲阶段并不明显这是由于 上部集中荷载存在偏心另外当发生屈曲时位移迅 速增大千斤顶处于卸载状态需要通过人工继续加 载来保持恒定的荷载水平导致没有明显的荷载跳 跃 在荷载水平为 时试件 有限元分 析中柱发生屈曲时的温度为 图 此时中 柱进入屈曲阶段其侧向位移开始急速增大当温度 升高达到 时上部结构屈服但没有倒塌 另 外试验结果表明中柱屈曲温度为 此后至温 度达到 时竖向位移快速增大在荷载水平为 时有限元分析和试验测得的中柱屈曲温 度分别为 和 有限元分析结果低于试 验结果这是由于在试验时沿中柱纵向和横向的温 度分布不均匀而有限元分析时采用了平均温度场 分布以及节点刚性连接的假设 试件的中柱破坏形态对比如图 所示由图可 知有限元模拟破坏形态与试验结果比较吻合中柱 破坏形态为柱在弱轴方向屈曲后形成集中塑性铰而 破坏并且两端和中间同时存在局部屈曲图 柱两端外侧翼缘向外屈曲中间部分内侧翼缘向内 屈曲如图 所示 个试件中的钢柱均发生平面 外变形其位置均在受保护钢节点的下部大致为柱 的中部 由于试件 荷载水平较高 钢柱发生明显的弯曲屈曲破坏最大变形处翼缘发 生局部屈曲内凹靠近节点下方钢柱的翼缘亦发生 局部屈曲钢柱发生破坏后上部结构在竖向荷载作 用下也进入屈服状态整体结构发生破坏 而试件 由于所施加的竖向荷载水平较低 钢 柱发生屈曲变形后上部结构仍然保持完整整体结 构可继续承载 图 受火柱破坏形态 初始破坏机理与倒塌机制分析 钢框架底层中柱的破坏受周围构件的影响根 据试验结果对于底层中柱其轴向约束影响主要由 其上部楼层所有连梁来提供 图 为试件 升温 后 时的结构变形此时 中柱 平面外位移 柱轴力达到最大随后随温 度升高受火柱失稳破坏竖向位移和平面外位移都 急剧增大 当升温后 时 急剧增大约 如图 所示 此后竖向位 图 结构初始倒塌机制 移快速增大上部结构也快速屈服整体结构破坏 而试件 由于竖向荷载水平小中柱屈曲后上部结 构没有发生破坏 如果定义柱轴压力降低到受火前初始荷载水平 为受火柱的破坏则由图 可知试件 中柱的破 坏时温度为 而有限元模拟为 中柱破 坏后上部结构中的所有梁在竖向荷载下快速进入 弹塑性工作状态 而试件 中由于竖向荷载水平 较低中柱屈曲后上部结构没有发生较大变形仍处 于弹性工作状态 表 为对应的试验结果与有限元 分析结果 受火柱变形及内力变化结果表明结构 破坏可分成三个主要阶段 中柱屈曲前阶段受 火柱轴力由于热膨胀受到约束而逐渐增大上部提 供约束的梁构件受到向上的反力而向上弯曲变形 中柱发生屈曲到破坏阶段受火柱轴力达到屈曲荷 载而发生平面外屈曲受火柱轴力降低到受火前初始 荷载水平 中柱破坏后阶段受火中柱轴力快速下 降上部梁逐渐承受外部荷载当发生大变形时上部 梁逐渐形成悬链线从而形成结构初始倒塌机制 图 轴力随温度变化曲线 表 试验与有限元分析结果 试件编号 分析 方法 中柱屈曲 温度 中柱破坏 温度 结构倒塌 温度 上部结 构状态 试验 有限元 弹塑性 弹塑性 试验 有限元 弹性 弹性 有限元倒塌 为了进一步分析结构的倒塌破坏采用更高的 荷载水平 进行分析分析结果表明中 柱的屈曲温度和破坏温度都为 而当中柱破坏 后如图 所示中柱竖向位移增加迅速温度达到 时竖向位移为 此后上部结构进入完全 塑性工作状态竖向位移增大速率增大表示上部结 构刚度下降较大结构即将倒塌破坏 另外试验中由于采用液压千斤顶加载在失稳 破坏过程中竖向位移快速增大千斤顶处于卸载状 态需要不断增加液压来继续保持初始荷载水平 因此试验中结构变形过程为一静力过程而实际中 结构由于重力等其他荷载的作用会使结构在失稳破 坏过程中存在动力效应变形会更大从而加剧中柱 初始弯曲破坏机制的形成 因此在精确分析火灾 引起结构连续性倒塌分析时应考虑此动力效应 荷载水平对初始破坏的影响分析 钢柱受火后产生轴向热膨胀当热膨胀受到限 制时产生轴向约束力 对于试件 在钢柱发生较 大变形后需要不断调整千斤顶以保持其荷载恒定 直到结构发生大变形破坏 从图 可以看出试件 中受火钢柱初始荷载水平约为 钢柱在受 火过程中实际所受的最大轴力为 远大于对 钢柱的施加荷载 钢柱轴力达到峰值后随着温度 继续升高试件侧向变形逐渐加大侧向变形引起的 试件轴向压缩量逐渐大于温度引起的试件轴向膨胀 量从而使得钢柱轴向约束力快速减小 此时试件 已经产生了较大的侧向变形和附加弯矩同时火 灾下钢材的力学性能也下降二者共同作用导致钢 柱发生平面外失稳破坏从而导致中柱的初始破坏 而对于试件 由于温度上升较慢钢柱发生热膨胀 的速度缓慢轴力达到最大值的时间较长钢柱在受 火过程中实际所受的最大轴力为 达到此峰 值后钢柱开始产生平面外变形轴力随之缓慢下降 结构没有发生明显的大变形破坏 中柱没有发生初 始破坏结构不会发生倒塌 结论 在整体结构中中柱的初始破坏为弯曲失稳 破坏其失稳破坏形式受周围钢梁的约束影响 约 束影响的范围主要是受火柱上部楼层相连梁构件 其他构件的影响较小 中柱在局部火灾下沿弱轴方向发生弯曲破 坏其破坏机制的形成除了受上部楼层梁约束的影 响还受荷载水平的影响荷载水平越高初始破坏 机制更容易形成结构更易于倒塌 随着荷载水平的提高受火柱的屈曲温度和 破坏温度以及结构的破坏温度逐渐降低并且引起 上部结构的破坏程度也有所差异 虽然本文进行了局部火灾引起钢结构初始破坏 机理与倒塌机制的试验研究和有限元分析然而由 于有限元分析结果采用静力非线性分析并且试验 过程由于采用力控加载没有考虑动力效应实际上 构件的屈曲破坏过程以及结构的倒塌过程都是动力 非线性过程构件的屈曲破坏过程的动力效应需要 进一步研究 参考文献 李晓东董毓利丛术平型钢梁端板连接火灾 行为的试验研究 哈尔滨工业大学学报 李国强王银志郝坤超 约束组合梁抗火性能试验 研究 自然灾害学报 李国强王培军王永昌 约束钢柱抗火性能试验研 究 建筑结构学报 李晓东陈礼刚靳乐等 型截面单层单跨钢框架 火灾行为试验 哈尔滨工业大学学报