火灾爆炸作用下钢框架结构破坏分析

作者简介：刘振宇（1997-），男，硕士。研究方向为力学分析及工程项目管理。

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

摘  要：考虑围护结构影响下建立2层的钢框架结构，在火灾爆炸分别发生在边跨和中跨2种工况时，通过改变冲击力的大小，分析钢构件的受力和破坏情况，给出钢框架结构的破坏程度。结果发现，钢框架结构具有较大的变形能力，型钢的损伤是随着冲击力的增加逐渐积累，墙的存在加速钢构件的破坏，分析对比梁柱构件的应力时程曲线，发现相同时刻时梁的损伤明显比柱严重，且中柱损伤比边柱更严重，比例距离相同时，温度越高框架整体破坏越严重；温度相同时，比例距离越小框架破坏越严重。研究成果可为今后钢框架结构的抗火抗爆研究及工程加固提供理论参考。

关键词：火灾爆炸作用；钢框架结构；破坏分析；比例距离；有限元模型

中图分类号：TU391      文献标志码：A          文章编号：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

由于人们生活中缺乏安全意识，火灾和爆炸作为一种非常規的偶然荷载，随爆炸的发生而引起各种事故。

国内外学者对火灾爆炸作用下建筑结构破坏进行了研究。谭英华[1]利用ABAQUS有限元软件，数值分析模拟了爆炸与火灾共同作用下对钢梁和门式钢架的响应行为。Richaedliew等[2]使用ABAQUS有限元分析软件，对爆炸和火灾综合作用下平面钢框架进行了数值模拟分析，提出爆炸载荷和火灾后钢框架结构非弹性瞬态分析的数值方法。张秀华等[3]运用LS-DYNA有限元软件，分别采用beam单元和shell单元对爆炸荷载作用下钢框架柱的动力响应及破坏模式进行分析，给出了钢柱的3种破坏模式和影响因素。以上均是未考虑围护结构在单独爆炸或火灾下结构的破坏研究，但是，火灾爆炸通常相伴发生且有围墙或砖墙等围护结构。

本文以火灾爆炸作用下钢框架结构为研究对象，借助大型有限元软件LS-DYNA进行模拟，基于火灾和爆炸联合作用下导出的Q235B钢J-C-P本构模型[4]，综合考虑围护结构时火灾爆炸作用下钢框架结构的破坏。

1  钢框架结构的有限元模型

为了分析火灾爆炸作用下钢框架结构的破坏，选取了一栋2层钢框架结构的公共建筑为研究对象，楼面板和屋面板均为C30钢筋混凝土材料，其厚度为120 mm[5]。本文钢框架构件均选用H型钢Q235B材料，框架梁、柱的平面布置如图1所示，由于房间尺寸对爆炸波的传播有着很大影响，因此，柱网分布为6 m×6 m，走廊宽2.4 m，层高为3.3 m[6-7]。取H型钢梁、柱截面几何尺寸分别为450 mm×300 mm×12 mm×16 mm和400 mm×400 mm×12 mm×20 mm[8]。填充墙为240 mm厚的混凝土多孔砖，混凝土多孔砖力学参数值[9]见表1。计算简图如图2所示。考虑应变率对钢材的影响，不同温度钢材屈服强度及弹性模量值见表2。

图1  钢框架结构平面布置图

表1  混凝土多孔砖力学参数

（a）  钢框架模型

（b）  梁节点模型    （c）  柱节点模型

图2  钢框架结构有限元分析模型

表2  Q235B钢不同温度下屈服强度与弹性模量[10]

LS-DYNA中使用关键字*MAT_96_BRITTLE_DAMAGE实现钢筋混凝土材料特性，钢筋混凝土密度为2 500 kg/m3，弹性模量为30 GPa。钢筋与混凝土之间共用节点，不考虑滑移作用。

为了量化炸药的强度，引进“比例距离”这一概念，比例距离z=R/■，R为起爆点与目标点之间的距离；W为炸药量。取比例距离为z=2.38 m/kg1/3和2.08 m/kg1/3[11]。

2  火灾爆炸作用下钢框架结构的破坏分析

2.1  火灾爆炸作用发生在边跨时钢框架结构的破坏分析

当大于400 ℃时钢结构材料的力学性能急剧下降，100 ℃时的钢材力学性能与常温时基本相同，因此，研究火灾温度为100 ℃和400 ℃时钢框架在爆炸作用下的损伤程度。

在首层边跨发生火灾时，为了研究框架结构中爆炸波对竖向构件的作用以及对构件损伤程度的影响，保证构件尽可能不发生破坏的情况下，分析z=2.38 m/kg1/3时，柱在100 ℃下速度和加速度随时间变化的分布规律。如图3所示。

（a）  速度时程曲线

（b）  加速度时程曲线

图3  边跨框架柱速度、加速度时程曲线

由图3（a）可知，火灾爆炸作用下ZZ（1）在0.005 7 s的最大速度为0.267 m/s，随后轴向速度在0附近波动，而BZ（1）在相同时间速度同样到达峰值，其值为0.463 m/s，可见两者轴向速度变化趋势基本相同，爆炸波在自振作用下的速度呈现往复传递的特征，导致速度时程曲线呈波浪式震荡，爆炸冲击波在支座处反射时，同样以基本相同的入射速度进行反向传播。ZZ（2）和BZ（2）轴向速度到达峰值后迅速反向传递，这是由于上部板的存在，爆炸波遇到混凝土板后发生反射，反射波继而沿柱顶向柱脚传递，引起柱的轴向速度为负值。

由图3（b）可以发现，爆炸在极短时间内更易接触面积较大的构件，ZZ（2）的轴向加速度为-301.325 m/s2，随后出现反向最大加速度，BZ（2）的加速度提前达到最值-569.536 m/s2，此时ZZ（2）的加速度已经处在峰值衰减的波动阶段，而BZ（1）在0.005 8 s时最大加速度为460.265 m/s2。相比之下，爆炸冲击力相同时，边跨角柱的速度、加速度最先出现峰值。由此看来，在比例距离较大时，爆炸波在构件中往复传递特性显著，但不会引起构件破坏。

考虑结构的对称性，选取半结构构件进行内力分析。图4给出了BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）跨中水平位移时程曲线。

图4  框架柱跨中位移时程曲线

由圖4可知，0.004 5 s前，柱跨中位移为0，说明爆炸波还未传至柱中，BZ（2）在计算时间内跨中最大位移为2.702 mm，ZZ（2）跨中最大位移为1.881 mm，BZ（1）比BZ（2）跨中位移减小了一半。同时，BZ（1）和BZ（2）发生同向位移，ZZ（1）和ZZ（2）发生同向位移，此外，中柱比边柱变形大，这是由于两端均为固接约束时，在爆炸作用下，ZZ（2）上部构件分担的爆炸冲击力较多，且隔墙阻碍了爆炸波的扩散，使得爆炸冲击波的能量更多作用在构件上，从而导致框架内部构件跨中位移较大，因此，BZ（2）和ZZ（2）柱的动力响应较明显。

当温度为100 ℃，z=2.38 m/kg1/3时，框架位移云图如图5所示。

图5  100 ℃框架位移云图（z=2.38 m·kg-1/3）

由框架位移云图可见，爆炸波以球面波的形式向周围扩散，z=2.38 m/kg1/3时，当温度为100 ℃时，在火灾爆炸作用下框架柱出现最大正向位移14.33 mm，此时，板最大跨中位移为29.45 mm，梁ZL（4）和柱BZ（1）、ZZ（1）均发生跨中受弯，由于BL（1）与ZL（1）节点处固接及隔墙的存在，使得两结构协同发生塑性变形，爆炸冲击波只对边跨的中间构件产生较大的动力响应；同时，构件未产生破坏现象，波已经传播到中跨和隔跨构件，至此，整个框架均承受爆炸冲击作用。由此可见，BZ（1）、ZZ（1）和ZL（3）均表现出塑性特性，由于爆炸荷载作用下HL（3）受拉导致HL（3）与ZL（3）的连接处出现应力集中作用，爆炸冲击力未能达到构件的最大屈服应力，而使得边跨构件能继续保持工作，爆炸波随时间变化而布满整个框架，框架整体未发生破坏现象。

当温度为400 ℃、z=2.38 m/kg1/3时框架Mises应力云图如图6所示。

图6  400 ℃框架Mises应力云图（z=2.38 m·kg-1/3）

由图6Mises应力云图发现，随温度升高，框架整体应力降低，说明构件单元达到了屈服应力，从而退出工作。BZ（1）轴向最大应力为120.2 MPa和BZ（2）轴向最大应力为166.5 MPa，约是100 ℃时轴向最大应力的2倍，BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）均出现单元失效，BZ（1）和BZ（2）最大位移分别为8.68 mm和10.14 mm，是100 ℃时跨中最大位移的5倍，而BL（1）和HL（1）在爆炸作用下发生侧向弯曲，距离梁端0.9 m处单元发生失效，ZL（1）和ZL（4）翼缘发生较大变形，其跨中最大挠度为15.9 mm，梁端破坏。由此可见，温度使得材料力学性能下降，导致构件的应力随之增大，抵抗外部荷载的能力减弱，构件的变形增大。0.001 s时，B（1）混凝土板跨中位移为43.17 mm，比100 ℃时增大了2倍，由于BL（1）下的墙上开有窗洞，使得位移减小了3.2 mm，梁柱构件均以塑性变形为主，边跨构件出现轻微单元消失，由此说明门窗洞口使得爆炸波发生绕射现象导致建筑物中的构件变形减小。框架整体轻度破坏。

基于以上杆件内力的分析，研究受火温度为100 ℃、z=2.08 m/kg1/3时杆件的损伤程度及框架整体的破坏情况。取框架整体破坏Mises应力分布图和边跨位移放大因子为2的细部应力云图如图7和图8所示。

（a）  0.001 4 s时框架Mises应力云图

（b）  0.001 s时框架Mises应力云图

图7  钢框架Mises应力分布云图（z=2.08 m·kg-1/3）

由图7发现，在火灾爆炸作用下，相比于z=2.38 m/kg1/3构件提前出现破坏。0.001 4 s边跨梁柱节点处出现应力集中现象，BZ（1）柱脚最大位移为4.7 mm，BZ（3）柱脚最大位移为2.82 mm，说明比例距离增大，爆炸力对相邻跨构件受力特性同样有影响。BZ（1）、BZ（2）、ZZ（1）和ZZ（2）变形之前，柱端发生相对转角，单元未立即失效，说明此时柱端出现了塑性铰。随爆炸波的传播，BZ（2）和ZZ（2）靠近炸药侧的跨中翼缘出现单元轻微失效，边跨仍具有承受外部荷载能力。同时，BL（1）、HL（1）及ZL（1）和ZL（4）在冲击力作用下水平方向受弯，继而梁发生弯曲破坏，HL（1）跨中位移较BL（1）的大，B（1）板跨中最大位移62.89 mm，爆炸波传向相邻板。一层门窗洞口处发生单元失效；此外，二层构件相应发生位移。钢框架边柱与中柱及B（1）房间内的梁损伤严重，框架整体严重破坏。

综上所述，比例距离较小时，框架整体未发生破坏；随比例距离增大，构件严重变形，整体破坏越来越严重，甚至有倒塌的可能。

2.2  火灾爆炸作用发生在中跨时钢框架结构的破坏分析

当火灾爆炸作用发生在中跨时，为了获取钢框架的破坏过程及与工况一的对比，取中跨杆件梁（ZL（8）、HL（2）和ZL（5））、板B（5）和柱ZZ（1，2）（构件平面图如图1所示）为研究对象，在比例距离z=2.38 m/kg1/3下取各研究对象的关键单元分析构件在火灾爆炸作用下的内力变化规律，给出框架的破坏过程及机理。

为了分析框架的破坏情况及爆炸波的传播分布，图8给出100 ℃下框架在不同时刻的Mises应力云图。

由图8（a）可见，0.004 8 s爆炸波向相邻跨进行传播。0.002 3 s时，ZL（7）和ZL（8）翼缘发生变形，跨中最大位移为16.86 mm，梁及柱未发生破坏，节点处应力集中显著，墙的洞口处出现单元失效现象。与图6火灾爆炸发生在边跨相比，由于梁节点的连接方式与受力特点及节点处力的分配相同，所以梁的破坏程度及破坏形式基本相同，同时，门洞处的B（5）板跨中最大位移为23 mm，四周也出现了单元消失，最有可能先发生坍塌。图8（b）0.001 s时，由于走廊两边的隔墙作用及走廊内部无墙体，使得爆炸波充分向两端扩展导致B（5）板发生水平方向破坏，由于B（5）板四边支承，长边与短边之比为2.5，根据板的破坏形态可见，B（5）板表现出双向板受力特征，跨中位移约是边跨发生火灾爆炸作用时的2倍，且边跨梁柱节点出现应力集中现象，同时一层隔墙发生49.96 mm的变形。需要指出的是，相比边跨发生火灾爆炸状况，相同比例距离时，火灾爆炸发生中跨的损伤程度较边跨严重。这是因为走廊处的空间较小，且受墙的阻碍，爆炸冲击波无法向外部快速传播，导致构件往复受到冲击作用。因此，火灾爆炸发生在中跨时框架整体为中度破坏。

（a）  0.002 3 s时框架Mises应力云图

（b）  0.001 s时框架Mises应力云图

图8  火灾爆炸发生在中跨时钢框架的破坏过程（z=2.38 m·kg-1/3）

综上所述，比例距离和温度是影响火灾爆炸联合作用下钢框架结构损伤程度的重要因素。z=2.38 m/kg1/3时，火灾爆炸联合作用发生在中跨与发生在边跨相比，框架整体为中度破坏，比边跨破坏严重。

3  结论

本文结合Q235B钢J-C-P本构模型，借助LS-DYNA操作平台，建立两层钢框架公共建筑，对比分析爆炸分别发生在边跨和中跨时，框架结构的破坏机理。经数值模拟发现得出以下现象及结论。

1）爆炸荷载超压值随比例距离的增大而减小，杆件单元的失效现象随比例距离的减小越来越严重。可见，比例距离是影响构件损伤的重要因素。

2）当火灾爆炸发生在边跨时，比例距离（z=2.38 m/kg1/3）较小的情况下，构件跨中位移周期较大，钢材能有效发挥塑性性能，而未出现单元失效情况；随比例距离的增大，梁柱节点处因应力集中内力值变化显著。随温度升高，柱中发生弯曲破坏和柱端发生剪切破坏，梁发生弯曲破坏，首层边跨构件出现轻微单元消失，二层梁柱节点处出现应力集中现象，门窗洞口使得爆炸波发生绕射现象导致建筑物中的构件变形减小。

3）当火灾爆炸发生在中跨时，在温度较低的情况下（100 ℃），框架受力平衡，由于隔墙阻碍了爆炸冲击波的传播，使得框架整体破坏比火灾爆炸发生在边跨时严重。梁的破坏先于柱的破坏，且相同时刻下梁的损伤较为严重。

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