门式刚架钢结构火灾下整体力学性能分析

李莉

【摘 要】 当前，随着社会经济的发展，人们的生活观念在不断更新，对人身安全、防火防灾的重视力度在不断提高，在各种建筑物中都开展各种方式的防火设计。但是，当前，在门式刚架结构中防火设计存在着一定的经济性和科学性的问题，为了解决这一问题，本文就对门式刚架结构火灾下整体力学性能进行了系统的分析，希望通过对门式刚架结构的调整实现经济实用的防火性能要求，本文主要通过理论叙述和案例分析的方式对这一题目进行研究，希望本文的研究能够给实际工作人员更多的启示。

【关键词】 门式刚架结构；整体力学性能；分析

最近几年，我国建筑行业的发展速度在急剧提高，不但建筑技术和建筑质量有所提高，对建筑结构也进行了很大的改善，目前，门式刚架结构是我国建筑工程中比较常使用的一种轻钢结构，这种结构的发展速度也相对较快，其在建筑结构中的应用主要是作为主要承重结构，其主要使用范围为大型体育场馆、娱乐场所、商业服务公共场所、仓储设施等等。

一、建立计算模型

在门式刚架结构进行设计之前一定要对其所承受的各种荷载量、货源热释放量以及各种尺寸的设计等都进行完整的计算和预测，建立一个完整的计算模型，以方便各种数据的计算。那么，计算模型的建立主要有以下几项内容：

第一，荷载的计算。在模型中的各个组成构件的尺寸都需要以常温状态来进行确定，同时还要以我国相关规范为参照基础。在《门式刚架技术规程》中做出了详细的规定：“房屋面恒、活荷载均取0.3kN/m2，风荷载则是按北京地区的风压进行取值为0.45kN/m2，风荷载的体型系数为—0.5，地面的粗糙度以D类为考虑基础，雪荷载取值为0.4kN/m2。”

第二，火源热释放率。根据对商场以及大型建筑物的实际情况进行分析，了解到在门式刚架计算模型中的火源热释放率为5和25MW。

第三，几何尺寸的设计也要根据实际情况来设计，在该案例中，不同的门式刚架结构都是属于单层的房屋，所以最好应该选择以下几何尺寸和材料，钢为Q235，柱体间距为18米，钢架梁的坡度可以为1/20，同时，为了确保该钢架结构的稳定性，防止出现变形，梁和柱的接头都选择工字型，柱的截面为“H（300——450）mm×240mm×6mm×8mm”梁的截面积为H240mm×6mm×8mm×400mm。而这种钢架结构檐口的高度需要设置为6米和2米两种不同类型的，而其所对应的建筑物主要是仓储和厂房两种，具体如表1所示：

二、计算结果

在火灾作用下，门式刚架结构的位置、应力以及性能等都会发生很大的变化，所以，本文主要对计算结果进行简要的讨论。

1.火灾作用下钢结构位移分析

在钢梁中出现较大位移状况的就是竖向位移，所以，本文就以模型中的竖向位移为基本讨论点。如图2 所示，在不同的火源下刚架结构的位移状况是不同的。

从图中数值我们可以看到，在刚架结构衔接处的节点竖向位移是从一个由大到小的过程，在火源状态为5MW时，钢架梁升温速度相对较慢，在发生火灾一个小时内，所呈现出来的竖向位移速度较慢，主要是钢材存在弹性模量和屈服强度，其在300度之内，这种弹性模量和屈服强度相对比较高，所以膨胀现象也就非常明显，如果火灾情况恶化，温度升高，则弹性模量和屈服强度会快速降低，这样在钢架结构中梁的竖向位移速度会加大，一直到完全损坏。根据对国际研究结果的分析，在钢架结构中梁的跨度为1/20时，如果火源状态为25MW，不同模型下刚架结构破坏的时间是不同的，大致会从30分钟到25分钟再到20分钟，所以，这种状态下一旦发生火灾，消防工作是很难开展的，所以，门式钢架结构下对于火灾的治理要采取必要的辅助措施。

2.应力分析

在这一部分的分析主要是对在火灾状态下，几种不同的刚架结构模型应力状况进行数据分析和结果分析。通常情况下，在钢架结构中，有两个位置的应力相对较大，一个是刚架梁的衔接处，另一个是梁和柱的交接处。图3 就是几个不同模型下应力分析的数据结果。

刚架结构在火灾作用下会发生比较明显变化的就是钢材屈服度以及弹性模量，而不便的是各个节点的应力，因此，可以这样认为，这种门式刚架结构在火灾的作用下将会在恒定应力作用下出现严重的变形，甚至是损坏。从模型1中我们可以看到，温度相对较小的状态下结构钢材的屈服力还没有在构件的应力之下，也就是说热膨胀的影响力要远远比以上两个因素大。而在模型2和6当中，温度升高的速度比较快，结构的破坏速度也较快，而在模型5当中，虽然出现了屈服度在梁应力之下，但是由于温度升高的相对较慢，所以，在火灾发生1个小时内并结构并没有被完全破坏。

结束语：

由于最近几年，门式刚架结构在我国的发展速度较快，应用范围交广泛，很多实际工程建设过程中都在积极应用门式刚架结构，尤其是一些大型的娱乐场所、仓储货运等场所，但是，防火救火问题就成为了很多建筑单位头疼的问题，所以，本文对门式刚架结构在火灾状态下的力学性进行了简单的分析，还望对火灾治理工作有所帮助。

参考文献

[1] 张爱林，崔伟龙，饶雯婧.火灾下大跨空间结构升温模型的比较分析[J]. 工业建筑. 2009（S1）

[2] 张卓，魏金科，王杨. 门式钢刚架局部火灾下三维整体结构性能的响应分析[J]. 工业建筑. 2009（S1）

[3] 卜令全，夏军武，侯智超.门式刚架结构抗地表变形性能分析[J]. 黑龙江科技学院学报. 2010（05）