作者簡(jiǎn)介：劉振宇（1997-），男，碩士。研究方向?yàn)榱W(xué)分析及工程項(xiàng)目管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.018

摘? 要：考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響下建立2層的鋼框架結(jié)構(gòu)，在火災(zāi)爆炸分別發(fā)生在邊跨和中跨2種工況時(shí)，通過(guò)改變沖擊力的大小，分析鋼構(gòu)件的受力和破壞情況，給出鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼框架結(jié)構(gòu)具有較大的變形能力，型鋼的損傷是隨著沖擊力的增加逐漸積累，墻的存在加速鋼構(gòu)件的破壞，分析對(duì)比梁柱構(gòu)件的應(yīng)力時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)相同時(shí)刻時(shí)梁的損傷明顯比柱嚴(yán)重，且中柱損傷比邊柱更嚴(yán)重，比例距離相同時(shí)，溫度越高框架整體破壞越嚴(yán)重；溫度相同時(shí)，比例距離越小框架破壞越嚴(yán)重。研究成果可為今后鋼框架結(jié)構(gòu)的抗火抗爆研究及工程加固提供理論參考。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)爆炸作用；鋼框架結(jié)構(gòu)；破壞分析；比例距離；有限元模型

中圖分類號(hào)：TU391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）13-0073-05

Abstract： Considering the influence of the enclosure structure， a two-story steel frame structure is established. When the fire and explosion occur in the side span and the middle span respectively， the force and failure of the steel members are analyzed by changing the impact force， and the damage degree of the steel frame structure is given. The results show that the steel frame structure has greater deformation capacity， the damage of section steel accumulates gradually with the increase of impact force， and the existence of wall accelerates the failure of steel members. The stress time history curve of beam-column members is analyzed and compared. It is found that at the same time， the damage of the beam is more serious than that of the column， and the damage of the middle column is more serious than that of the side column. At the same proportional distance， the higher the temperature is， the more serious the overall damage of the frame is. When the temperature is the same， the smaller the proportional distance is， the more serious the frame damage is. The research results can provide theoretical reference for fire and explosion resistance research and engineering reinforcement of steel frame structures in the future.

Keywords： fire and explosion; steel frame structure; failure analysis; proportional distance; finite element model

由于人們生活中缺乏安全意識(shí)，火災(zāi)和爆炸作為一種非常規(guī)的偶然荷載，隨爆炸的發(fā)生而引起各種事故。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)火災(zāi)爆炸作用下建筑結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行了研究。譚英華[1]利用ABAQUS有限元軟件，數(shù)值分析模擬了爆炸與火災(zāi)共同作用下對(duì)鋼梁和門式鋼架的響應(yīng)行為。Richaedliew等[2]使用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)爆炸和火災(zāi)綜合作用下平面鋼框架進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，提出爆炸載荷和火災(zāi)后鋼框架結(jié)構(gòu)非彈性瞬態(tài)分析的數(shù)值方法。張秀華等[3]運(yùn)用LS-DYNA有限元軟件，分別采用beam單元和shell單元對(duì)爆炸荷載作用下鋼框架柱的動(dòng)力響應(yīng)及破壞模式進(jìn)行分析，給出了鋼柱的3種破壞模式和影響因素。以上均是未考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)在單獨(dú)爆炸或火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的破壞研究，但是，火災(zāi)爆炸通常相伴發(fā)生且有圍墻或磚墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

本文以火災(zāi)爆炸作用下鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，借助大型有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行模擬，基于火災(zāi)和爆炸聯(lián)合作用下導(dǎo)出的Q235B鋼J-C-P本構(gòu)模型[4]，綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)火災(zāi)爆炸作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞。

1? 鋼框架結(jié)構(gòu)的有限元模型

為了分析火災(zāi)爆炸作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞，選取了一棟2層鋼框架結(jié)構(gòu)的公共建筑為研究對(duì)象，樓面板和屋面板均為C30鋼筋混凝土材料，其厚度為120 mm[5]。本文鋼框架構(gòu)件均選用H型鋼Q235B材料，框架梁、柱的平面布置如圖1所示，由于房間尺寸對(duì)爆炸波的傳播有著很大影響，因此，柱網(wǎng)分布為6 m×6 m，走廊寬2.4 m，層高為3.3 m[6-7]。取H型鋼梁、柱截面幾何尺寸分別為450 mm×300 mm×12 mm×16 mm和400 mm×400 mm×12 mm×20 mm[8]。填充墻為240 mm厚的混凝土多孔磚，混凝土多孔磚力學(xué)參數(shù)值[9]見(jiàn)表1。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。考慮應(yīng)變率對(duì)鋼材的影響，不同溫度鋼材屈服強(qiáng)度及彈性模量值見(jiàn)表2。

圖1? 鋼框架結(jié)構(gòu)平面布置圖

表1? 混凝土多孔磚力學(xué)參數(shù)

（a）? 鋼框架模型

（b）? 梁節(jié)點(diǎn)模型? ? （c）? 柱節(jié)點(diǎn)模型

圖2? 鋼框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型

表2? Q235B鋼不同溫度下屈服強(qiáng)度與彈性模量[10]

LS-DYNA中使用關(guān)鍵字*MAT_96_BRITTLE_DAMAGE實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土材料特性，鋼筋混凝土密度為2 500 kg/m3，彈性模量為30 GPa。鋼筋與混凝土之間共用節(jié)點(diǎn)，不考慮滑移作用。

為了量化炸藥的強(qiáng)度，引進(jìn)“比例距離”這一概念，比例距離z=R/■，R為起爆點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離；W為炸藥量。取比例距離為z=2.38 m/kg1/3和2.08 m/kg1/3[11]。

2? 火災(zāi)爆炸作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞分析

2.1? 火災(zāi)爆炸作用發(fā)生在邊跨時(shí)鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞分析

當(dāng)大于400 ℃時(shí)鋼結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能急劇下降，100 ℃時(shí)的鋼材力學(xué)性能與常溫時(shí)基本相同，因此，研究火災(zāi)溫度為100 ℃和400 ℃時(shí)鋼框架在爆炸作用下的損傷程度。

在首層邊跨發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了研究框架結(jié)構(gòu)中爆炸波對(duì)豎向構(gòu)件的作用以及對(duì)構(gòu)件損傷程度的影響，保證構(gòu)件盡可能不發(fā)生破壞的情況下，分析z=2.38 m/kg1/3時(shí)，柱在100 ℃下速度和加速度隨時(shí)間變化的分布規(guī)律。如圖3所示。

（a）? 速度時(shí)程曲線

（b）? 加速度時(shí)程曲線

圖3? 邊跨框架柱速度、加速度時(shí)程曲線

由圖3（a）可知，火災(zāi)爆炸作用下ZZ（1）在0.005 7 s的最大速度為0.267 m/s，隨后軸向速度在0附近波動(dòng)，而B(niǎo)Z（1）在相同時(shí)間速度同樣到達(dá)峰值，其值為0.463 m/s，可見(jiàn)兩者軸向速度變化趨勢(shì)基本相同，爆炸波在自振作用下的速度呈現(xiàn)往復(fù)傳遞的特征，導(dǎo)致速度時(shí)程曲線呈波浪式震蕩，爆炸沖擊波在支座處反射時(shí)，同樣以基本相同的入射速度進(jìn)行反向傳播。ZZ（2）和BZ（2）軸向速度到達(dá)峰值后迅速反向傳遞，這是由于上部板的存在，爆炸波遇到混凝土板后發(fā)生反射，反射波繼而沿柱頂向柱腳傳遞，引起柱的軸向速度為負(fù)值。

由圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，爆炸在極短時(shí)間內(nèi)更易接觸面積較大的構(gòu)件，ZZ（2）的軸向加速度為-301.325 m/s2，隨后出現(xiàn)反向最大加速度，BZ（2）的加速度提前達(dá)到最值-569.536 m/s2，此時(shí)ZZ（2）的加速度已經(jīng)處在峰值衰減的波動(dòng)階段，而B(niǎo)Z（1）在0.005 8 s時(shí)最大加速度為460.265 m/s2。相比之下，爆炸沖擊力相同時(shí)，邊跨角柱的速度、加速度最先出現(xiàn)峰值。由此看來(lái)，在比例距離較大時(shí)，爆炸波在構(gòu)件中往復(fù)傳遞特性顯著，但不會(huì)引起構(gòu)件破壞。

考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取半結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析。圖4給出了BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）跨中水平位移時(shí)程曲線。

圖4? 框架柱跨中位移時(shí)程曲線

由圖4可知，0.004 5 s前，柱跨中位移為0，說(shuō)明爆炸波還未傳至柱中，BZ（2）在計(jì)算時(shí)間內(nèi)跨中最大位移為2.702 mm，ZZ（2）跨中最大位移為1.881 mm，BZ（1）比BZ（2）跨中位移減小了一半。同時(shí)，BZ（1）和BZ（2）發(fā)生同向位移，ZZ（1）和ZZ（2）發(fā)生同向位移，此外，中柱比邊柱變形大，這是由于兩端均為固接約束時(shí)，在爆炸作用下，ZZ（2）上部構(gòu)件分擔(dān)的爆炸沖擊力較多，且隔墻阻礙了爆炸波的擴(kuò)散，使得爆炸沖擊波的能量更多作用在構(gòu)件上，從而導(dǎo)致框架內(nèi)部構(gòu)件跨中位移較大，因此，BZ（2）和ZZ（2）柱的動(dòng)力響應(yīng)較明顯。

當(dāng)溫度為100 ℃，z=2.38 m/kg1/3時(shí)，框架位移云圖如圖5所示。

圖5? 100 ℃框架位移云圖（z=2.38 m·kg-1/3）

由框架位移云圖可見(jiàn)，爆炸波以球面波的形式向周圍擴(kuò)散，z=2.38 m/kg1/3時(shí)，當(dāng)溫度為100 ℃時(shí)，在火災(zāi)爆炸作用下框架柱出現(xiàn)最大正向位移14.33 mm，此時(shí)，板最大跨中位移為29.45 mm，梁ZL（4）和柱BZ（1）、ZZ（1）均發(fā)生跨中受彎，由于BL（1）與ZL（1）節(jié)點(diǎn)處固接及隔墻的存在，使得兩結(jié)構(gòu)協(xié)同發(fā)生塑性變形，爆炸沖擊波只對(duì)邊跨的中間構(gòu)件產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)；同時(shí)，構(gòu)件未產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，波已經(jīng)傳播到中跨和隔跨構(gòu)件，至此，整個(gè)框架均承受爆炸沖擊作用。由此可見(jiàn)，BZ（1）、ZZ（1）和ZL（3）均表現(xiàn)出塑性特性，由于爆炸荷載作用下HL（3）受拉導(dǎo)致HL（3）與ZL（3）的連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中作用，爆炸沖擊力未能達(dá)到構(gòu)件的最大屈服應(yīng)力，而使得邊跨構(gòu)件能繼續(xù)保持工作，爆炸波隨時(shí)間變化而布滿整個(gè)框架，框架整體未發(fā)生破壞現(xiàn)象。

當(dāng)溫度為400 ℃、z=2.38 m/kg1/3時(shí)框架Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6? 400 ℃框架Mises應(yīng)力云圖（z=2.38 m·kg-1/3）

由圖6Mises應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高，框架整體應(yīng)力降低，說(shuō)明構(gòu)件單元達(dá)到了屈服應(yīng)力，從而退出工作。BZ（1）軸向最大應(yīng)力為120.2 MPa和BZ（2）軸向最大應(yīng)力為166.5 MPa，約是100 ℃時(shí)軸向最大應(yīng)力的2倍，BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）均出現(xiàn)單元失效，BZ（1）和BZ（2）最大位移分別為8.68 mm和10.14 mm，是100 ℃時(shí)跨中最大位移的5倍，而B(niǎo)L（1）和HL（1）在爆炸作用下發(fā)生側(cè)向彎曲，距離梁端0.9 m處單元發(fā)生失效，ZL（1）和ZL（4）翼緣發(fā)生較大變形，其跨中最大撓度為15.9 mm，梁端破壞。由此可見(jiàn)，溫度使得材料力學(xué)性能下降，導(dǎo)致構(gòu)件的應(yīng)力隨之增大，抵抗外部荷載的能力減弱，構(gòu)件的變形增大。0.001 s時(shí)，B（1）混凝土板跨中位移為43.17 mm，比100 ℃時(shí)增大了2倍，由于BL（1）下的墻上開(kāi)有窗洞，使得位移減小了3.2 mm，梁柱構(gòu)件均以塑性變形為主，邊跨構(gòu)件出現(xiàn)輕微單元消失，由此說(shuō)明門窗洞口使得爆炸波發(fā)生繞射現(xiàn)象導(dǎo)致建筑物中的構(gòu)件變形減小。框架整體輕度破壞。

基于以上桿件內(nèi)力的分析，研究受火溫度為100 ℃、z=2.08 m/kg1/3時(shí)桿件的損傷程度及框架整體的破壞情況。取框架整體破壞Mises應(yīng)力分布圖和邊跨位移放大因子為2的細(xì)部應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示。

（a）? 0.001 4 s時(shí)框架Mises應(yīng)力云圖

（b）? 0.001 s時(shí)框架Mises應(yīng)力云圖

圖7? 鋼框架Mises應(yīng)力分布云圖（z=2.08 m·kg-1/3）

由圖7發(fā)現(xiàn)，在火災(zāi)爆炸作用下，相比于z=2.38 m/kg1/3構(gòu)件提前出現(xiàn)破壞。0.001 4 s邊跨梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，BZ（1）柱腳最大位移為4.7 mm，BZ（3）柱腳最大位移為2.82 mm，說(shuō)明比例距離增大，爆炸力對(duì)相鄰跨構(gòu)件受力特性同樣有影響。BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）變形之前，柱端發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，單元未立即失效，說(shuō)明此時(shí)柱端出現(xiàn)了塑性鉸。隨爆炸波的傳播，BZ（2）和ZZ（2）靠近炸藥側(cè)的跨中翼緣出現(xiàn)單元輕微失效，邊跨仍具有承受外部荷載能力。同時(shí)，BL（1）、HL（1）及ZL（1）和ZL（4）在沖擊力作用下水平方向受彎，繼而梁發(fā)生彎曲破壞，HL（1）跨中位移較BL（1）的大，B（1）板跨中最大位移62.89 mm，爆炸波傳向相鄰板。一層門窗洞口處發(fā)生單元失效；此外，二層構(gòu)件相應(yīng)發(fā)生位移。鋼框架邊柱與中柱及B（1）房間內(nèi)的梁損傷嚴(yán)重，框架整體嚴(yán)重破壞。

綜上所述，比例距離較小時(shí)，框架整體未發(fā)生破壞；隨比例距離增大，構(gòu)件嚴(yán)重變形，整體破壞越來(lái)越嚴(yán)重，甚至有倒塌的可能。

2.2? 火災(zāi)爆炸作用發(fā)生在中跨時(shí)鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞分析

當(dāng)火災(zāi)爆炸作用發(fā)生在中跨時(shí)，為了獲取鋼框架的破壞過(guò)程及與工況一的對(duì)比，取中跨桿件梁（ZL（8）、HL（2）和ZL（5））、板B（5）和柱ZZ（1，2）（構(gòu)件平面圖如圖1所示）為研究對(duì)象，在比例距離z=2.38 m/kg1/3下取各研究對(duì)象的關(guān)鍵單元分析構(gòu)件在火災(zāi)爆炸作用下的內(nèi)力變化規(guī)律，給出框架的破壞過(guò)程及機(jī)理。

為了分析框架的破壞情況及爆炸波的傳播分布，圖8給出100 ℃下框架在不同時(shí)刻的Mises應(yīng)力云圖。

由圖8（a）可見(jiàn)，0.004 8 s爆炸波向相鄰跨進(jìn)行傳播。0.002 3 s時(shí)，ZL（7）和ZL（8）翼緣發(fā)生變形，跨中最大位移為16.86 mm，梁及柱未發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中顯著，墻的洞口處出現(xiàn)單元失效現(xiàn)象。與圖6火災(zāi)爆炸發(fā)生在邊跨相比，由于梁節(jié)點(diǎn)的連接方式與受力特點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)處力的分配相同，所以梁的破壞程度及破壞形式基本相同，同時(shí)，門洞處的B（5）板跨中最大位移為23 mm，四周也出現(xiàn)了單元消失，最有可能先發(fā)生坍塌。圖8（b）0.001 s時(shí)，由于走廊兩邊的隔墻作用及走廊內(nèi)部無(wú)墻體，使得爆炸波充分向兩端擴(kuò)展導(dǎo)致B（5）板發(fā)生水平方向破壞，由于B（5）板四邊支承，長(zhǎng)邊與短邊之比為2.5，根據(jù)板的破壞形態(tài)可見(jiàn)，B（5）板表現(xiàn)出雙向板受力特征，跨中位移約是邊跨發(fā)生火災(zāi)爆炸作用時(shí)的2倍，且邊跨梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)一層隔墻發(fā)生49.96 mm的變形。需要指出的是，相比邊跨發(fā)生火災(zāi)爆炸狀況，相同比例距離時(shí)，火災(zāi)爆炸發(fā)生中跨的損傷程度較邊跨嚴(yán)重。這是因?yàn)樽呃忍幍目臻g較小，且受墻的阻礙，爆炸沖擊波無(wú)法向外部快速傳播，導(dǎo)致構(gòu)件往復(fù)受到?jīng)_擊作用。因此，火災(zāi)爆炸發(fā)生在中跨時(shí)框架整體為中度破壞。

（a）? 0.002 3 s時(shí)框架Mises應(yīng)力云圖

（b）? 0.001 s時(shí)框架Mises應(yīng)力云圖

圖8? 火災(zāi)爆炸發(fā)生在中跨時(shí)鋼框架的破壞過(guò)程（z=2.38 m·kg-1/3）

綜上所述，比例距離和溫度是影響火災(zāi)爆炸聯(lián)合作用下鋼框架結(jié)構(gòu)損傷程度的重要因素。z=2.38 m/kg1/3時(shí)，火災(zāi)爆炸聯(lián)合作用發(fā)生在中跨與發(fā)生在邊跨相比，框架整體為中度破壞，比邊跨破壞嚴(yán)重。

3? 結(jié)論

本文結(jié)合Q235B鋼J-C-P本構(gòu)模型，借助LS-DYNA操作平臺(tái)，建立兩層鋼框架公共建筑，對(duì)比分析爆炸分別發(fā)生在邊跨和中跨時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。經(jīng)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)得出以下現(xiàn)象及結(jié)論。

1）爆炸荷載超壓值隨比例距離的增大而減小，桿件單元的失效現(xiàn)象隨比例距離的減小越來(lái)越嚴(yán)重?？梢?jiàn)，比例距離是影響構(gòu)件損傷的重要因素。

2）當(dāng)火災(zāi)爆炸發(fā)生在邊跨時(shí)，比例距離（z=2.38 m/kg1/3）較小的情況下，構(gòu)件跨中位移周期較大，鋼材能有效發(fā)揮塑性性能，而未出現(xiàn)單元失效情況；隨比例距離的增大，梁柱節(jié)點(diǎn)處因應(yīng)力集中內(nèi)力值變化顯著。隨溫度升高，柱中發(fā)生彎曲破壞和柱端發(fā)生剪切破壞，梁發(fā)生彎曲破壞，首層邊跨構(gòu)件出現(xiàn)輕微單元消失，二層梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，門窗洞口使得爆炸波發(fā)生繞射現(xiàn)象導(dǎo)致建筑物中的構(gòu)件變形減小。

3）當(dāng)火災(zāi)爆炸發(fā)生在中跨時(shí)，在溫度較低的情況下（100 ℃），框架受力平衡，由于隔墻阻礙了爆炸沖擊波的傳播，使得框架整體破壞比火災(zāi)爆炸發(fā)生在邊跨時(shí)嚴(yán)重。梁的破壞先于柱的破壞，且相同時(shí)刻下梁的損傷較為嚴(yán)重。

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