翻译外文文献 在火灾条件下钢结构的连续倒塌分析 - 图文

在火灾条件下钢结构的连续倒塌分析

——Ruirui Suna, Zhaohui huangb，Lan W Burgess

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英国谢菲尔德大学土木和结构工程部门

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英国布鲁内耳大学 工程设计学院

关键词： 连续倒塌 钢结构 显性积分 联合分析 局部失稳 支撑系统 摘要：

在这篇文章中引用了一个强大的动静结合程序。在火灾条件下结构的局部和整体连续倒塌研究中，它的引进延伸了“vulcan”软件模拟钢结构建筑的动态和静态下性能的能力。在动态程序中采用了显示积分的方法。这种方法是在一个完全的静态分析中，当发生异常导致超过短暂失稳情况时，用来继续做结构分析。在静态和动态之间转换的自动开关使“vulcan”成为一个强有力的工具去研究由局部破坏导致结构连续倒塌的机理。用这个程序来证实了几个实际案例。一些在火灾条件因结构的失稳导致钢结构倒塌机理的初步研究也被引用。可以得出结论：对于低荷载系数和大尺寸横截面梁的无支撑结构，在结构整体坍塌事故中，有着更高的临界破坏温度。然而，有着较高荷载系数和小尺寸横截面梁的结构更容易产生局部破坏。支撑系统有助于防止结构的连续坍塌。对有着较大侧向刚度的结构，当重新稳定时，坍塌的柱子能够产生较小的竖直方向变形。然而，结构的整体破坏临界温度对结构的侧向刚度并不敏感。 1. 介绍

结构工程师有责任在建筑设计中包含防火安全内容，这是为了最

低限度降低生命和财产的损失。纽约世贸大厦双子楼的坍塌就是一个潜在的火灾导致高层建筑大灾难的警告，它是由一开始的连续坍塌所引发。目前，钢结构高层建筑被广泛的使用，因其非常理想地适合当前由劳动力成本的提升带来的追求提高建造效率的趋势。然而，钢的材料特性尤其是在高温下，比如，钢的强度在700℃只有常温下的23%，在800℃为常温的11%，在900℃只有6%。因此，钢结构的防火设计是结构工程师关心的一个重大问题。

目前，对于结构防火的工程设计，有一个越来越多的设计师将采取基本性能设计方法的趋势。这意味着结构防火设计在结构中将纳入整体里来处理。在过去的二十年，对火灾条件下钢结构建筑的性能进行了大量的研究。Cardington的全面受火实验[1]证明结构构件的真实性能可能不同于在标准火炉实验下的。在一个真正建筑结构中，构件由连续的部件组合而成，同时建筑的防火通常是局部的，易受火的结构部分受到来自包围它冷的部分极大的抑制。如果这样的互相合作能被一个设计师运用于具体的防火保护策略，作为一个基本性能结构设计方法的部分，然而因为其很高的隐形成本，这实际上不可能以大规模的试验为基础。因此越来越重要是应用软件模型在火灾条件下能有效、精确的预测结构的性能。在最近几年，许多研究人员已经开放出大量的模型去模拟火灾下钢结构或者含有钢结构的性能。比如，Wang and Moore[2]建立了一个三维带有半刚性节点的钢结构模型去研究在受火下的性能。一个计算机软件“vulcan”已经在谢菲尔德大学的三维钢结构、混合钢和加固混凝土受火下的建筑模型中应用[3-7]。来自

南洋大学的防火工程研究所的计算机软件“FEMFAN”已经被Tan et al[8-11]所采用，研究一些钢结构在受火条件下的性能分析。Franssen et al. [12]开发了一个计算机软件SAFIR,已被大量的研究人员[13-15]使用。也有一些研究人员[16-24]用商业的软件 ABAQUS去进行在高温下钢结构的结构分析。上面提到的绝大部分分析都是以静态分析为基础。这很清楚的表明静态分析对于模拟加载时间较长（0.5小时到4小时）的受火下的结构性能研究的计算是很有效的。然而，一个静态分析的缺点是分析将会因局部破坏导致的数据异常或结构的失稳而终止结束。

连续的坍塌发生在由一个起始的局部破坏部分传播到另一个部分，最终导致大部分或者整体结构的失稳坍塌破坏。Tan和Astaneh-Asl[25]通过实验研究屈服于关键部分破坏的钢结构的有效约束，并提出了使用钢索去阻止连续坍塌的方法。Izzuddin et al. [26,27]研究了用二维模型建模的多层混合建筑的连续坍塌。Liew[28]建立了一个混合元素模型去研究承受强荷载和火灾下的三维钢结构框架。这个模型是能够获得部件和框架失稳下的详细性能，它和高应变率、火的温度因素有关。Lien et al. [29]提出了一个方向，形成了用内在的有限元分析钢结构的非线性性能。他们研究了由地震引发的火灾下钢结构的性能，并得出了一个结论：结构的变形是深受余震、火灾、结构部件断裂的影响。

结构的稳定性是指结构阻止突然撞击产生局部失稳后导致非均匀破坏的能力。因此，为了评估在受火条件下的结构稳定性，是很有

必要确保分析能在局部失稳发生后能继续进行。一些研究人员已经尝试在整个受火时间段内采用完全动态的分析来克服静态分析的缺点。因为受火的时间相对比较长，因此计算量是非常庞大的。因此，这篇文章主要的目的是为了开发出一个稳定简化的计算程序，在这个程序中一个受约束荷载结构的所有性能都能被有效的模拟出来。这个模型集合了静态和动态分析，能最大程度利用他们的优点。静态分析能被用来追踪结构在高温下直到失稳发生时的性能。在确定分析失稳后，动态程序将被激活继续去分析。在这篇文章中，一个显性动态程序已经被开发出去模拟受火条件下结构坍塌。这个开发出的模型能被用来克服在之前静态分析的偶然失稳，和辨认任何大变形下重新稳定的结构。在结构重新获得稳定后，程序将再一次转换到静态分析。这个开发出的程序是完全有效的。运用一系列的参数结论来研究由个别柱子破坏导致平面钢结构连续坍塌的机理 。 2.非线性程序 2.1动态程序

一个物体变形的一般等式可以表达如下： Mu+ C u +F(u)=Q(t) （1）

这里M是质量矩阵，C是阻尼矩阵，F(u)是内力，Q(t)是外力，t, u，

u,u分别是时间，位移，速度和加速度。

......为了解答（1）式，直接积分动态程序提供了两个一般的处理器：隐性积分和显性积分方法。在隐性动态分析中，积分处理器矩阵必须是倒置的，一系列的非线性平衡等式必须要在每一次的增长时解决。

但是对于显性的，没有整体质量或者刚度矩阵需要生成和倒置，这是因为在每一次增量的开始时候，位移和速度就数量而言都是可以计算出的，因此在每一次增量计算量相比于隐性积分体系是相对庞大的。

既然隐性动态程序要求生成和倒置整体刚度矩阵，因此相比于显性动态需要更多的磁盘空间和内存。因此，对于大量显性动态的问题将比隐性的处理更加有效的。此外，对于很高非线性或者复杂材料的问题，隐性动态程序会难以得到一个汇总的解决，这会导致生产一大堆的积分或者分析数据的失败。那么因由于材料退化导致材料的高非线性，所以部分破坏、局部失稳和整体失稳在结构框架的坍塌中都是要出现的，在这个研究中采用显性方法作为动态分析的积分方法。 2.2 时间积分

在开发出的显性动态程序中，中心差分积分是明确地通过时间来积分变形方程，用在当前的变形条件增量i去计算在下一次增量的变形条件，i+1，这就是

这里ui和ui是第i步自由度n的位移和速度，△ti 是时间间隔，下标的i是参考当前的动态步骤的增量数值，△ti+1/2=（△ti+△ti+1）/2。显性程序计算效率的关键是使用矩阵的对角线原理，因为在增量一开始的加速度是如下计算：

(4)

这里

是在第i步自由度为n的加速度,Mn是自由度为n的质量，Qinnnnn是外荷载，Fi和Di分别是内力和阻力。这个程序中，时间增量必须

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