賀擁軍，周冬星，周緒紅

(1.湖南大學 土木工程學院，長沙 410082；2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

單層球面網(wǎng)殼火災爆炸動力響應(yīng)

賀擁軍1，周冬星1，周緒紅2

(1.湖南大學 土木工程學院，長沙 410082；2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

以K8型單層球面網(wǎng)殼為研究對象，考慮幾何非線性和溫度對材料性能的影響，完整模擬了單層球面網(wǎng)殼在發(fā)生火災的不同階段受到爆炸沖擊作用時的動力性狀。據(jù)B-R準則，通過爆炸峰值超壓與結(jié)構(gòu)動力特征響應(yīng)之間的關(guān)系，可判定K8型單層球面網(wǎng)殼在不同火災階段，爆炸沖擊作用下的動力穩(wěn)定性臨界峰值超壓。分析了單層球面網(wǎng)殼的矢跨比、屋面荷載、約束布置等參數(shù)對其在不同火災階段的爆炸沖擊動力穩(wěn)定性的影響。研究表明：火災對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下的動力穩(wěn)定性有較大影響，當網(wǎng)殼桿件最高溫度達500 ℃以上時，結(jié)構(gòu)的抗爆能力明顯降低。矢跨比、屋面質(zhì)量、約束布置對網(wǎng)殼在火災不同階段的抗爆能力均有不同程度的影響。

球面網(wǎng)殼；火災；爆炸沖擊；動力響應(yīng)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有自重輕、結(jié)構(gòu)剛度好等特點，往往被廣泛運用于覆蓋面積較大的空間，如大型體育館、展覽館等。近些年，恐怖分子針對人口活動密集的大型場館的破壞襲擊時有發(fā)生，一旦遭遇襲擊，引起火災甚至火災下的爆炸，將造成嚴重的后果。關(guān)于火災下大空間溫度場分布，利用有限元軟件可以較好地模擬大空間建筑在發(fā)生火災時的溫度分布[1-3]，李國強等[1]根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納得出了實用的大空間火災升溫經(jīng)驗公式。學者們利用有限元軟件對鋼結(jié)構(gòu)或大跨鋼結(jié)構(gòu)在火災下的性能進行了研究，研究表明火災對鋼結(jié)構(gòu)材料性能有較大影響[4]，同時,火源位置、功率以及燃燒速率等都對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)火災下的整體性能較大影響[5-7]，針對鋼構(gòu)件的高溫分析與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體分析發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的耐火時間不超過2 h[8-9]。在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗爆研究方面，文獻[10-11]采用簡化爆炸荷載模型的方式，對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在爆炸作用下的結(jié)構(gòu)性能進行有限元模擬，并討論了有限元方法分析網(wǎng)殼抗爆性能的可行性；文獻[12-13]對矢跨比、爆炸點、炸藥量對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響進行了研究。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在火災下的性能與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊下的性能的研究往往分開討論，而實際情況中火災與爆炸沖擊往往是耦合地對結(jié)構(gòu)造成破壞，更加復雜。因此，對單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在火災爆炸沖擊耦合作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)在不同火災階段的臨界爆炸峰值超壓的研究極具現(xiàn)實意義。

采用ANSYS/LS-DYNA，以高大空間建筑火災作用下空氣升溫實用公式為基礎(chǔ)，模擬分析了單層球面網(wǎng)殼在發(fā)生火災的情況下耦合爆炸沖擊超壓作用的動力響應(yīng)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定判定準則[14-16]，確定了在火災的不同階段，單層球面網(wǎng)殼的動力穩(wěn)定臨界爆炸峰值超壓；討論了矢跨比、屋面質(zhì)量、約束條件等參數(shù)對單層球面網(wǎng)殼火災爆炸下動力穩(wěn)定性的影響。

1 網(wǎng)殼動力穩(wěn)定判定方法及模擬正確性驗證

1.1 動力穩(wěn)定判定方法

1.2 有限元模擬正確性驗證

通過典型算例，考察所采用的有限元模擬方法的正確性。運用有限元軟件，采用瞬態(tài)動力分析中的完全法，針對圖1所示的網(wǎng)殼施加三角脈沖荷載，根據(jù)B-R準則得到其動力穩(wěn)定臨界荷載，并與文獻[17]采用理論計算所得臨界荷載進行比較，如表1。對比可知，所采用的有限元模擬分析方法計算結(jié)果與典型算例結(jié)果較為吻合。

圖1 12單元穹頂網(wǎng)殼

荷載類型荷載作用時間/s臨界荷載文獻[17]理論計算結(jié)果/N臨界荷載有限元模擬計算結(jié)果/N三角脈沖荷載0.1410417.30.5250243.2

2 火災爆炸作用下單層K8球面網(wǎng)殼動力穩(wěn)定性

2.1 有限元模型

采用的分析對象為單層K8型球面網(wǎng)殼，如圖2所示；跨度為40 m，矢跨比為1/4，考慮火源位置及爆炸點處于網(wǎng)殼中心正下方，距離網(wǎng)殼頂點15 m處。網(wǎng)殼的徑向分頻數(shù)為6；主徑向和環(huán)向桿件截面均為Φ121 mm×4.0 mm。

圖2 單層K8型球面網(wǎng)殼Fig.2 Kiewitt8 single-layer reticulated dom

網(wǎng)殼采用周邊支座采用固端約束，桿件單元及節(jié)點編號如圖3所示。

圖3 網(wǎng)殼桿件、節(jié)點編號Fig.3 Number of members and node

2.2 火災空氣升溫和鋼構(gòu)件升溫模型

圖4 不同溫度下鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of steel at different temperature

依據(jù)李國強、杜詠針對高大空間建筑火災升溫經(jīng)驗公式的研究，即中國《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)火災下內(nèi)部空氣升溫采用高大空間建筑火災作用下空氣升溫實用公式，基于高大空間火災數(shù)據(jù)統(tǒng)計及《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》，本文考慮火源功率類型為大功率，火災增長類型為快速。考慮無保護層取初始溫度為20 ℃。

圖5 網(wǎng)殼桿件火災溫度曲線Fig.5 Temperature curve of members under fir

2.3 火災過程中爆炸超壓作用下動力分析

通過ANSYS有限元模擬，采用瞬態(tài)動力分析中的完全法對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行火災下爆炸沖擊動力分析，考慮網(wǎng)殼屋面荷載為1.0 kN/m2，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量單元施加于節(jié)點上，考慮大變形和大轉(zhuǎn)角；采用Rayleigh阻尼，阻尼比為0.02。

圖6 簡化爆炸超壓荷載Fig.6 Simplified explosion overpressure loa

根據(jù)網(wǎng)殼桿件最高溫度值將火災全過程分為6個階段，即網(wǎng)殼桿件最高溫度分別達到20、100、200、300、400、500 ℃等6個階段。在上述的6個階段分別對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行大量的逐級加載的爆炸沖擊模擬，根據(jù)B-R準則，探究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在火災不同階段的臨界爆炸峰值超壓。

1)彈性階段 該階段的爆炸峰值超壓值較小，網(wǎng)殼在經(jīng)受爆炸峰值超壓之后，位移能夠得到恢復；該階段的位移量較小，以高溫下的熱膨脹為主。

2)塑性階段 該階段網(wǎng)殼經(jīng)受爆炸后，產(chǎn)生塑性積累，網(wǎng)殼中心附近節(jié)點的位移不能恢復，網(wǎng)殼整體剛度降低。

3)破壞階段 爆炸峰值荷載已達到網(wǎng)殼的臨界爆炸峰值超壓，節(jié)點位移突然陡增，結(jié)構(gòu)已被破壞。

圖7 不同溫度階段下爆炸峰值超壓最大位移曲線Fig.7 Explosion peak overpressure-maximum displacement curve under different temperature

圖8 300 ℃情況下模擬爆炸的節(jié)點位移時程曲線Fig.8 Node displacement time-history curve for simulated explosion at 300

此外，由圖7所得數(shù)據(jù)，根據(jù)B-R準則，可以得到火災不同階段，單層球面網(wǎng)殼的臨界爆炸峰值超壓，如圖9所示。可以看出，在桿件最高溫度達在20～400 ℃的溫度區(qū)間時，網(wǎng)殼的臨界爆炸峰值超壓隨溫度略有下降；當桿件最高溫度達到500 ℃時，臨界爆炸峰值超壓下降非常明顯，此時網(wǎng)殼所有桿件溫度均達300 ℃以上，整體剛度下降幅度較大，導致臨界爆炸峰值超壓發(fā)生陡降。

圖9 溫度爆炸峰值超壓曲線Fig.9 Temperature-explosion peak overpressure curv

3 不同參數(shù)對單層球面網(wǎng)殼火災爆炸性能的影響

3.1 矢跨比

選定跨度為60 m的單層球面網(wǎng)殼，通過改變矢高，對矢跨比分別為1/4、1/5、1/6、1/7的單層球面網(wǎng)殼進行對比分析。

經(jīng)過大量的爆炸沖擊模擬，依據(jù)B-R準則得到矢跨比分別為1/4、1/5、1/6、1/7的單層球面網(wǎng)殼在火災不同溫度階段下的臨界爆炸峰值超壓，見表2。

表2 不同矢跨比下網(wǎng)殼臨界爆炸峰值超壓Table 2 Critical explosion peak overpressureof dome with different span ratio

隨矢跨比的減小，單層球面網(wǎng)殼在火災不同階段的臨界爆炸峰值超壓荷載呈下降趨勢。這是由于隨著矢跨比減小，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊方向的整體剛度下降所導致。同樣的不同矢跨比網(wǎng)殼隨著溫度升高，其抗爆性能均呈下降趨勢。

3.2 屋面質(zhì)量

以跨度為40 m、矢跨比為1/4的單層球面網(wǎng)殼為例，研究不同屋面質(zhì)量對單層球面網(wǎng)殼火災爆炸作用下的臨界爆炸峰值超壓的影響。上文已研究屋面荷載為1.0 kN/m2的情況，本節(jié)增加考慮無屋面質(zhì)量荷載和屋面質(zhì)量荷載為2.0 kN/m2和3.0 kN/m2的情況。

經(jīng)過大量模擬爆炸沖擊得到跨度為40 m、矢跨比為1/4的單層球面網(wǎng)殼在不同屋面質(zhì)量荷載下，火災爆炸情況中的臨界爆炸峰值超壓，如表3。

表3 不同屋面質(zhì)量荷載下網(wǎng)殼臨界爆炸峰值超壓Table 3 Critical explosion peak overpressure ofdome with different roof load

屋面質(zhì)量對網(wǎng)殼的抗爆性能存在一定的影響。由于爆炸超壓作用方向與屋面質(zhì)量荷載的作用方向相反，所以，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗爆性能隨屋面質(zhì)量的增加而提升。隨著網(wǎng)殼桿件溫度的上升，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)臨界爆炸峰值超壓的下降逐漸明顯。

3.3 約束條件

支座約束條件也是影響火災爆炸作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力性能的重要參數(shù)之一。網(wǎng)殼均采用將所有邊緣節(jié)點固定鉸支約束的方式，以跨度40 m、矢跨比為1/4的單層球面網(wǎng)殼為例，采用固定鉸支座，分別對網(wǎng)殼邊緣的8、16、24個節(jié)點進行固定鉸支約束，如圖10所示，進行火災爆炸作用下的動力分析。

圖10 網(wǎng)殼支座約束設(shè)置情況Fig.10 Constrained settings of the dom

得到不同約束條件下單層球面網(wǎng)殼在火災不同階段的爆炸峰值超壓，見表4和圖11。根據(jù)表4和圖11數(shù)據(jù)可知：

1)在采用8約束與16約束情況下，由于網(wǎng)殼約束支座設(shè)置較少，導致結(jié)構(gòu)的整體剛度偏小，網(wǎng)殼的臨界爆炸峰值超壓在各個火災階段均偏低，且當桿件最高溫度達到400 ℃后，結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生明顯下降，其抗爆性能也隨之顯著降低。

2)當約束支座設(shè)置增加至24個節(jié)點時，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自由度降低，結(jié)構(gòu)剛度增加，網(wǎng)殼在各個火災階段的抗爆性能明顯提高。結(jié)構(gòu)整體剛度和抗爆性能也在桿件最高溫度達到400 ℃后顯著降低。

3)24約束情況下與全約束情況進行對比發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)殼桿件最高溫度在20～300 ℃區(qū)間內(nèi)，24約束的網(wǎng)殼抗爆性能略優(yōu)于全約束的網(wǎng)殼；但桿件最高溫度達到400 ℃以后，24約束的網(wǎng)殼整體剛度的下降幅度超過全約束網(wǎng)殼，導致其抗爆性能下降更為明顯。

表4 不同約束條件下網(wǎng)殼臨界爆炸峰值超壓Table 4 Critical explosion peak overpressure ofdome with different constrained settings

圖11 變約束條件下網(wǎng)殼爆炸峰值超壓溫度曲線Fig.11 Explosion peak overpressure-temperature curve of dome with different constrained setting

4 結(jié)論

對單層球面網(wǎng)殼在火災爆炸作用下的動力穩(wěn)定性進行了研究。得到以下結(jié)論：

1)以高大空間實用火災升溫公式為基礎(chǔ)，采用火災全過程模擬耦合爆炸沖擊的方式，可以進行網(wǎng)殼在火災高溫與爆炸沖擊共同作用下的全過程模擬分析。

2)通過爆炸峰值超壓與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移之間的關(guān)系曲線，可以掌握網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)隨爆炸峰值超壓的增大、結(jié)構(gòu)動力性狀不斷變化直至失穩(wěn)的全過程。根據(jù)B-R準則可以判定單層球面網(wǎng)殼在火災不同溫度階段的爆炸沖擊臨界超壓荷載。

3)矢跨比對網(wǎng)殼在火災爆炸作用下的動力性能有較大的影響，隨著矢跨比的減小，網(wǎng)殼在火災爆炸作用下的動力穩(wěn)定性能降低，屋面質(zhì)量對網(wǎng)殼在火災爆炸作用下的動力穩(wěn)定性能有一定的影響。約束條件對網(wǎng)殼在火災爆炸作用下的動力穩(wěn)定性影響較大。約束設(shè)置越多的網(wǎng)殼在較高溫度階段的抗爆能力越強。

[1] 李國強，杜詠. 實用大空間建筑火災升溫經(jīng)驗公式[J].消防科學與技術(shù)，2005,24(3)：283-287.

LI G Q, DU Y. Experimental formula for fire temperature rise in large space building [J]. Fire Science and Technology, 2005,24 (3): 283-287.(in Chinese)

[2] YIN B, YANG H, SHI Y, et al. Temperature field distribution of large-space structures under various fire scenarios[J]. Journal of Tsinghua University, 2011, 51(8):1122-1127.

[3] 于志超，朱國慶，田承飛. 大空間溫度場預測模型與實驗分析[J]. 消防科學與技術(shù),2016,35(10):1372-1375.

YU Z C, ZHU G Q, TIAN C F. Prediction model and experimental analysis of large space temperature field [J]. Fire Science and Technology, 2016,35(10): 1372-1375.(in Chinese)

[4] IU C K. Nonlinear fire analysis of steel structure using equivalent thermal load procedure for thermal geometrical change [J]. Fire Safety Journal, 2016, 86:106-119.

[5] YANG L, FENG X U. Numerical calculation of temperature rise in the large space grid structure under local fire conditions[J]. Fire Science & Technology, 2014，43:21-30.

[6] BAI Y，ZHAI J L，SHI Y J，et al. Analysis of overall stability bearing capacity of single-layer shell structures under high temperature condition[J].Science China Technological Sciences,2013,56：751-757.

[7] 劉東宇, 劉紅波, 廖祥偉. 茌平體育館弦支穹頂疊合拱復合結(jié)構(gòu)抗火性能分析[J]. 工業(yè)建筑, 2016, 46(11):7-12.

LIU D Y, LIU H B, LIAO X W. Fire resistance of chord dome composite arch structure in chiping gymnasium [J]. Industrial Buildings, 2016, 46 (11): 7-12.(in Chinese)

[9] 薛素鐸, 王廣勇. 凱維特單層球面網(wǎng)殼抗火性能研究[J]. 工業(yè)建筑, 2008(Sup1):452-454.

XUE S D, WANG G Y.Study on fire resistance of KeweiTe single-layer spherical reticulated shell [J]. Industrial Architecture, 2008 (Sup1): 452-454. (in Chinese)

[10] MA J L,WU C Q, ZHI X D,et al. Prediction of confined blast loading in single-layer lattice shells[J]. Advances in Structural Engineering,2014,17(7):1029-1044.

[11] 韓慶華，金曉東. 爆炸荷載作用下單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性[C]// 天津大學、上海交通大學. 第十屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學術(shù)研討會論文集，2010:9.

HAN Q H, JIN X D. Dynamic stability of single-layer reticulated shells under explosive loading[C]// Tianjin University, Shanghai Jiaotong University.Tenth National Modern Structural Engineering Symposium Proceedings, 2010: 9. (in Chinese)

[12] 高軒能，李超，江媛. 單層球面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸作用下的動力響應(yīng)[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術(shù)版)，2015(Sup1)：102-109.

GAO X N, LI C, JIANG Y. Dynamic response of single-layer reticulated dome structure under internal explosion [J]. Journal of Tianjin University (Natural Science and Engineering Technology), 2015(Sup1): 102-109. (in Chinese)

[13] 馬加路,支旭東,范峰,等.外爆荷載下Kiewitt-8型單層球面網(wǎng)殼的動力響應(yīng)[J]. 振動與沖擊,2015,34(21):65-70.

MA J L, ZHU X D, FAN F, et al. Dynamic response of Kiewitt-8 single-layer reticulated dome under external explosive loading[J]. Vibration and Shock, 2015,34(21): 65-70. (in Chinese)

[14] BA P F,ZHANG Y G,WU J Z, et al. The failure criterion of single-layer spherical lattice shell based on kinetic energy[J]. Mathematical Problems in Engineering,2015(1):1-7.

[15] HUI J L, YANG L F,LUO Y F. Dynamic stability of large-span suspen-domessubjected to seismic excitations[J]. Advanced Materials Research,2012,378-379:209-212.

[16] 王策, 沈世釗. 單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定分析[J]. 土木工程學報, 2000, 33(6):17-24.

WANG C, SHEN S Z.Dynamic stability analysis of single-layer spherical reticulated shells [J].Chinese Journal of Civil Engineering, 2000, 33 (6): 17-24. (in Chinese)

[17] 孫建恒, 夏亨熹. 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)非線性動力穩(wěn)定分析[J]. 空間結(jié)構(gòu), 1994(1):25-31.

SUN J H, XIA H X. Nonlinear dynamic stability analysis of reticulated shell structure [J]. Space Structures, 1994 (1): 25-31. (in Chinese)

[18] European committee for standardization，ENV 1993-1-2，Eurcode 3，Design of Steel Structures，Part1.2：Structural Fire Design[S]. 1993.

[19] 李國豪. 工程結(jié)構(gòu)抗爆動力學[M]. 上海：上海科學技術(shù)出版社，1989：167.

LI G H.Anti-explosive dynamics of engineering structures[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1989: 167. (in Chinese)

2017-04-08

National Key R & D Program (No.2016YFC0701201) ；Hunan Science and Technology Innovation Team Rolling Funding Project (Hunan Financial Education Quota (2015) No.616)

AuthorbriefHe Yongjun(1970-)，professor，doctorial supervisor，main research interests：theory and application of steel structure and large span spatial structure，E-mail:hyj0087@163.com.

Dynamicresponseofsingle-layerreticulateddomesunderfireandblastloads

HeYongjun1，ZhouDongxing1，ZhouXuhong2

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082,P.R.China；2. School of Civil Engineering,Chongqing University, Chongqing 400045,P.R.China)

The Kiewitt-8 single-layer reticulated domes were taken as case study. Considering the influence of geometric nonlinearity and temperature on the properties of the material, the dynamic behavior of the single-layer reticulated domes subjected to blast loading in different fire stages was simulated. According to the B-R criterion, the dynamic stability critical overpressure loads of K8 single-layer reticulated domes subjected to blast loading in different fire stages could be determined by the relationship between the peak overpressure of blast and the structural dynamic response. And the influence of parameters such as the rise-span ratio, the roof load and the constraint settings on the dynamic stability of single-layer reticulated domes subjected to blast loading in different fire stages were analyzed. The results show that fires have a great influence on the dynamic stability of the reticulated domes under the impact of explosion, When the maximum temperature of the reticulated dome rods rises to more than 500℃, the anti-explosion ability of the dome greatly decreases. The rise-span ratio, the roof load and the restraint settings have different effects on the anti-blast ability of the reticulated domes in different fire stages.

reticulated domes; fire; blast loading; dynamic response

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.008

TU392.3

A

1674-4764(2018)01-0055-07

2017-04-08

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0701201)；湖南省高校科技創(chuàng)新團隊滾動資助計劃(湘財教指(2015)616號)

賀擁軍(1970-)，男，教授，博士生導師，主要從事鋼結(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。

(編輯 胡玲)