第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
在人类进化和生产力发展过程中起了不可替代的作用，然而火一旦失去控制给人带来的生命危害和财产损失也是巨大的。火灾作为最频繁发生的灾害之一，破坏性强，其直接经济损失约为地震的 5 倍，而平均间接经济损失是直接经济损失的 3 倍左右。据世界火灾统计中心（WSFC）数据表明[1]，全球平均每年大约发生 600 万-700 万起火灾，有 65000-75000 人死于火灾中。统计数据表明，2018 年我国共接报火灾 23.7 万起，受伤人数达 798 人，死亡人数达 1407 人，直接损失财产 36.75 亿元。
火灾的类型按起因和发生地点可以分为很多种，其中建筑火灾发生的频率最大，约为火灾总数的 80%，所造成的损失亦是最大的。随着我国工业化和城镇化的迅速发展，建筑行业也得到了突飞猛进得发展，出现了地下、高层、新型等特殊功能的建筑，如地下停车场、高层办公大楼和剧院、大型商场等。满足人们的各方面需求的建筑设备不断增多，这使得火灾发生的机率和危险程度均有所增加。
一般来说，建筑物内的火灾会经历初始点燃、充分燃烧和衰减熄灭三个阶段[2]，图1-1 所示发生火灾时建筑物内空气的温度-时间曲线，其中 t1,t2 分别表示第一阶段、第二阶段的持续时间，Tmax 为最高温度。在第一阶段，仅有少量可燃物在燃烧，火灾燃烧面积较小，室内温度较低，温度上升缓慢。此时材料的力学性能没有明显的下降，对结构或构件的承载力影响不大。在第二阶段，可燃物充分燃烧，热辐射和热对流较为剧烈，室内温度显著上升，并逐渐达到最高温度 Tmax。同时，结构或构件的内部温度也显著上升，力学性能出现了明显退化，承载力急剧下降。这一阶段是火灾最危险的时间段。进入第三阶段，火灾温度逐渐降低，一段时间内维持在 200℃左右，直到可燃烧烧尽室内温度逐渐恢复为常温。火灾后结构高温下的塑性变形无法恢复，结构的承载力有所下降。
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1.2 国内外研究现状
随着人们对结构抗火性能的不断重视，从 1950 年开始，各国学者开始对建筑结构构件抗火性能进行系统研究，但目前研究成果主要以混凝土结构和普通钢结构构件为主，对大空间结构或是网壳结构的抗火性能研究还比较少，为了更好进行网壳结构的抗火性能分析，本节总结了结构抗火的进展。
近年来，结构抗火设计理论研究得到不断完善。概括起来，钢结构抗火设计的发展主要分为以下四个阶段：基于试验的构件抗火设计方法，基于计算的构件抗火设计方法，基于计算的结构抗火设计方法和考虑火灾随机性的结构抗火设计方法。目前结构设计大多以概率可靠度为目标，由于火灾发生的随机性以及火源位置的不确定性对结构构件内部温度的影响很大，在以概率可靠度目标实现结构抗火设计时，一定要考虑火源位置的随机性。目前对结构的抗火性能研究多是预先假定火源位置，考虑火源位置的随机性的结构抗火设计方法将是未来结构抗火设计研究中重要的一门课题。
1.2.1 建筑火灾模型和温度场研究
火灾是可燃物在热作用下发生的复杂过程，与周围的环境有着密切的相互作用。各国学者通过对火灾的统计资料和试验数据进行系统分析，归纳总结出一些工程实用的室内火灾空气升温模型，以下列举常用的一般建筑和大空间建筑的空气升温模型。
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第二章 钢梁明火试验数值模拟
2.1 相关试验
文献[24]对高温明火直接作用和 ISO 标准升温情况下的钢梁抗火性能进行了试验研究，以下简单介绍试件设计、试验装置及试验过程。
试验所用的钢梁试件钢材为 Q235，跨度 L 为 3.0m，截面采用氩弧焊焊接成型，截面高度 H 为 209.6mm，截面宽度 B 为 205.8mm，腹板厚度 tw = 9.4mm，上下翼缘厚度相同均为 ta = 14.2mm，如图 2-1 所示。钢梁两端与端板焊接，端板尺寸为 350 mm×350 mm×12 mm，设有 8 个 Φ25 的通孔。
按防火涂层厚度，8 个试件分为 4 组，编号为 A1 至 A8 试验升温方法有两种，如表2-1 所示。钢梁试件所用的防火涂料类型为厚型丙烯酸防火涂料，经人工多次涂刷加工，并在室外干燥养护 30 天以上。
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2.2 热力耦合分析方法
由于相互接触的不同结构或者同一结构内不同组成部分之间的热膨胀系数不同，结构受热膨胀或冷却收缩的程度不一致将产生热应力。在实际火灾中，钢结构或钢构件受到结构荷载和温度荷载的共同作用将产生耦合应力，因此需要用热力耦合分析方法来研究钢结构或钢构件的抗火性能。热力耦合分析方法分为直接耦合法和顺序耦合法。
对于高度非线性耦合的情况，采用顺序耦合法可能降低数值模拟的准确性，需要采用热力直接耦合法，来考虑温度场和应力场的相互作用。在 ANSYS 有限元分析软件中有温度和位移自由度的耦合单元，从而通过耦合单元建模分析可以得到结构的传热分析结果和响应分析结果。但由于直接耦合法求解需要同时满足多个物理场的准则，计算比较耗时。
顺序耦合法又称间接耦合法。该方法认为结构的温度场会影响结构场，而结构场不会影响温度场。因此先进行结构的热分析，将热分析得到的温度场结果作为已知条件施加于结构，再求解结构的应力和位移场。对于不是高度非线性热力耦合的情况，采用顺序耦合法较为灵活高效。本章对钢梁的抗火性能的数值模拟将采用顺序耦合方法。 顺序耦合法的分析步骤如下：
（1） 采用热分析单元建立结构传热分析模型，施加温度载荷，求解结构传热分析结果。
（2） 采用结构分析单元建立结构响应分析模型，定义材料的高温应变-应力关系和相关物理参数，施加结构荷载以及传热分析结果，求解结构高温响应分析结果。
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3.1 结构分析模型 ................................... 35
3.2 火源模型 .................................. 36
第四章 网壳高温稳定承载力分析 ......................................... 71
4.1 常温下弹塑性稳定承载力 ........................ 71
4.2 高温下弹塑性稳定承载力 ................................ 76
4.3 防火涂料的影响 .................................... 96
第四章 网壳高温稳定承载力分析
4.1 常温下弹塑性稳定承载力
在进行常温下的网壳结构设计时，《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）[64]中规定将弹塑性分析求得的荷载-位移曲线第一个临界点处的荷载值作为结构的稳定极限承载力，而网壳的稳定容许承载力（荷载取标准值）是在网壳稳定稳定极限承载力基础上除以安全系数 K 得到的。采用安全系数 K 主要是考虑到：（1）结构外部荷载和结构抗力的不确定性可能导致的不利影响；（2）结构实际工作中可能发生的其他不利因素。目前规范建议按弹塑性全过程分析时，网壳结构的 K 值取 2.0；按弹性全过程分析时，其值可取为 4.2。然而，这种 K 值的取法缺乏一定的准确性和科学性，因此应当进行结构在不利工况下的弹塑性稳定承载力研究。
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结论与展望
本文基于凯威特型网壳结构抗火性能的研究现状和已有研究成果，首先根据钢梁抗火试验，进行了三面受火钢梁抗火性能的有限元模拟计算。在此基础应用的分析方法与参数取值为基础，建立了凯威特型网壳结构的耐火性能分析，并对矢跨比、约束条件、初始缺陷、火源功率以及防火涂料等影响因素展开了参数化分析，得出各参数影响的大小和规律。最后，本文参考白音博士提出来的单层网壳结构高温承载力简化计算公式和基于结构高温相应的有限元分析结果，给出考虑防火涂料作用的情况下网壳结构高温弹塑性承载力的简化计算公式。通过对钢梁和网壳结构的高温非线性分析，得出以下结论：
（1）采用顺序耦合分析方法对钢梁进行了抗火性能分析，得到钢梁下翼缘温度时程、跨中挠度和轴力变形曲线，计算结果与试验结果，尽管存在一定误差，但三者的变化趋势相同，可以验证本文有限元分析模型的准确性。
（2）跨度相同的情况下，随着矢跨比从 1/7 增大到 1/4，网壳结构的温度场有所不同，结构的支座反力、顶点竖向位移以及第一圈内杆件的轴向应力不是简单的递增或递减，而是在某一矢跨比下取得极值。
（3）网壳结构自身刚度较大，在火灾下的力学性能与结构的约束条件几乎无关。
（4）随着初始几何缺陷的不断增大，网壳结构在升温 30min 时的顶点竖向位移不断减小，支座反力不断增大，第一圈环杆的轴向拉应力不断减小，第一圈内肋杆的轴向压应力不断减小。
（5）火源功率的改变对网壳结构的高温响应影响很大。随着火源功率的增大，升温 30min 时网壳结构的顶点竖向位移大致呈线性增大，第一圈环杆的轴向拉应力值和第一圈内肋杆的轴向压应力值均为先减小后增大，并在火源功率为 10MW 时取得极值。
（6）防火涂料厚度对网壳结构耐火性能的影响较大，采用厚度为 6-8mm 薄型防火涂料时，能显著隔绝热空气，提高网壳的耐火性能，有效控制结构变形，顶点竖向位移较无防火涂料时降低 50%以上，并减小第一圈环杆和第一圈内肋杆的轴向应力。
参考文献（略）