局部火灾下变电站结构承载性能分析

Load-Bearing Performance Analysis of Substation Structures under Local Fire Condition

摘要

针对常见的具有“大跨度”“大开间”“楼面错层”等特性的真实变电站建筑，对结构在局部火灾下的承载性能进行了数值分析。研究了受火柱位置（角柱、中柱、边柱）及荷载大小对结构承载性能的影响。研究结果表明，不同位置的柱在火灾中的受力和变形行为具有显著差异。中柱在火灾中受热变形的敏感性最高，边柱和角柱的倒塌速度及变形程度相对较小。在相同条件下，中柱比边柱失稳时间快约19%，比角柱失稳时间快约27%。荷载大小也是影响结构承载性能的关键因素。随着均布荷载的增大，结构的临界倒塌时间更快。

Abstract

This paper presents a numerical analysis of the load-bearing performance of structures in real substations subjected to localized fires. The investigated substations exhibit typical features such as large spans， wide column spacing， and floor height variations. The study examines the influence of column location （corner， center， and edge columns） and load magnitude on structural behavior under fire conditions. Results reveal notable differences in stress and deformation responses among columns at different positions. Central columns are found to be the most susceptible to thermal deformation， whereas corner and edge columns experience comparatively slower collapse progression and reduced deformation. Under identical fire and loading scenarios， central columns collapse approximately 19% faster than edge columns and 26% faster than corner columns. In addition， load magnitude significantly affects the structural load-bearing capacity， with increased uniform loads leading to an earlier critical collapse time.

Graphical abstract

关键词

火灾 / 变电站结构 / 承载性能 / 有限元模拟

Key words

fire / substation structure / load-bearing performance / finite element simulation

0 引 言

钢结构因其强度高、轻量、韧性良好等优势而被广泛应用于建筑结构中，然而耐火性能差是其一致命缺点。一根钢柱在火灾中失效可能会引发整个结构倒塌。特别是自2001年世界贸易中心（WTC）倒塌以来，人们越来越关注建筑结构在意外载荷，如爆炸、冲击和火灾下的渐进性倒塌行为^［1］。从这一事件中得到的重要教训是，结构构件的规定防火等级并不能确保整个建筑系统的安全性能^［2］。近年来，频繁发生的倒塌事故^［3-5］对人民群众的生命财产安全造成了巨大损失。一旦火灾发生，火势迅速蔓延，钢构件的承载能力将显著下降。为评估火灾中柱失效引起的建筑结构的倒塌情况，需要了解受火钢柱的响应。

当前，国内外学者对建筑结构在火灾条件下的倒塌性能进行了广泛而深入的研究。Moradi等^［6］研究了4层钢筋混凝土框架结构在地震和震后火灾荷载作用下的倒塌概率和倒塌时间概率。Isobe等^［7］分析了大规模火灾蔓延诱发的钢结构建筑倒塌行为。Valente等^［8］对轴向和旋转约束钢柱在火灾下的响应进行了研究。近年来，火灾作用下柱的动态失效行为受到了越来越多的关注^［9-13］。Fang等^［11］对车辆火灾中一个内柱失效的多层停车场进行了研究，结果表明加热柱的突然失效会对整体结构产生强烈的动力影响。Jiang等^［12］对三个钢力矩框架在局部火灾下的鲁棒性进行了实验研究和数值模拟，结果表明钢柱可能动态失效或准静态失效。Jiang等^［13］研究了平面钢框架结构火灾下抗连续性倒塌性能，发现火灾引起的柱失稳会产生动力效应，引起钢框架结构连续性倒塌。

已有的结构承载性能研究主要集中在单一灾害（如爆炸、火灾、地震、冲击等）、简单结构形式（如框架结构、桁架结构）以及拆除单根构件场景等。目前数值模拟分析主要针对钢框架结构和混凝土框架结构，而对大跨空间结构的研究较少^［14-15］，特别是对火灾下大跨度结构承载性能的研究更少^［16-19］。虽然国内外学者取得了一些研究成果，但对于更复杂、更大跨度结构的火灾承载性能研究仍存在不足。

与以往主要关注普通建筑的研究不同，本文针对变电站建筑的“大跨度”“大开间”“楼面错层”特性，系统性地探讨了具有这些复杂几何特点的建筑在局部火灾条件下的承载性能。利用有限元分析软件ABAQUS，基于已有试验结构对有限元模型进行验证。研究了角柱、中柱和边柱分别受火时结构的承载性能，得到了这三种工况下结构的变形、位移和轴力变化曲线，并通过改变荷载大小，探讨了荷载条件对结构倒塌变形和受火柱轴向力的影响。

1 有限元模型

本文研究的变电站建筑框架模型具有“大跨度”“大开间”“楼面错层”的特性，结构的平面简图如图1所示。模型一层的总长度为58.5 m，总宽度为19 m。一层层高4.35 m，二层层高3.5 m。一层梁单元数量为118，柱单元数量为33。二层梁单元数量为180，柱单元数量为20。建立有限元模型如图2所示，框架的柱和梁采用梁单元建模，混凝土楼板采用壳单元建模。框架的梁、柱均为工字形截面。梁的截面尺寸为400×200×12×16（mm），柱的截面尺寸为H400×200×20×20（mm）。钢梁和钢柱的杨氏模量和屈服强度分别为205 GPa和310 MPa。混凝土抗压强度为35 MPa，钢筋屈服强度为520 MPa。采用EC3高温应力-应变本构模型^［20］。初始缺陷幅值按照钢结构设计规范^［21］取杆件长度的1/1 000。钢梁和钢柱采用“Merge”命令模拟全焊接连接。钢梁通过“Tie”命令连接到混凝土板上。钢筋混凝土楼板的厚度为150 mm，板内嵌有两层相同的钢筋网层。钢筋直径为10 mm，间距为100 mm。钢筋保护层厚度为20 mm。混凝土板中的钢筋通过“Rebar layer”定义。模型考虑竖向均布恒载，且所有柱脚固定。结构网格的全局尺寸为200 mm。采用显式动态分析方法考虑柱在屈曲过程中可能产生的动态影响。

有限元分析分为两个分析步：第一个分析步对结构施加恒载，至加载完成；第二个分析步对指定柱升温，恒载保持不变，直至结构倒塌。升温过程与文献［22］类似，考虑60 s的火灾升温曲线时间。将受火柱从下至上分为5个区域，各区域段的温度曲线按照文献［22］划分到各个区域，柱最高受火温度为950 ℃。

在参数分析中，考虑6种不同位置的柱。编号为柱1—柱6，如图2所示。柱1—柱3分别代表无错层的角柱、中柱、边柱，柱4—柱6代表有错层的角柱、中柱、边柱。选取有错层的中柱（柱5）受火，在楼板上施加15 kN/m²、20 kN/m²、25 kN/m²三种均布荷载，分析荷载大小的影响。

2 有限元模型验证

2.1　建立模型

利用Jiang等^［13］针对两个平面钢框架的试验结果，验证当前数值模型的可靠性。参考文献［13］中的试验模型如图3所示。该框架为4跨2层，边跨跨度为2 m，中跨跨度为2.2 m，底层高度为1.3 m，第二层高度为1.2 m。试验框架的梁柱截面为矩形管状截面，其尺寸见表1。试验加载的重力荷载如图3所示，荷载细节见表2。柱底采用刚接，梁-柱连接为焊接连接，节点处采用50 mm×50 mm×5 mm的三角形加肋板加强节点的刚度。一层柱3由电炉加热。利用ABAQUS建立试件的有限元模型，如图4所示。有限元模型的尺寸以及材料和框架梁上的荷载均与试验保持一致。考虑到试验中梁柱节点为完全焊接，在有限元分析中采用“Merge”命令连接梁和柱。有限元模型的全局网格尺寸为20 mm。

2.2　试验的有限元模拟结果

图5比较了试验和有限元模型柱顶轴向位移与柱温度曲线结果。从图5（a）可以看出，对于框架1的加热柱，受火柱失稳的临界倒塌温度为640 ℃，模拟的结果约为730 ℃，相对误差约为14％。框架1呈现准静态失效模式，主要是由于中跨梁截面较大，对受火柱提供了足够的约束，且荷载比较小，因此，其竖向位移随温度变化曲线并未呈陡降趋势。框架2的中跨梁截面较小，承受荷载较大，且无法提供足够的侧向支撑，因此框架2呈现动态失效模式。如图5（b）所示，加热柱的位移曲线突然下降。试验临界倒塌温度为750 ℃，模拟结果为748 ℃，相对误差仅为0.3％。下降后的最终平衡位移的实验值为85 mm左右，有限元模拟的实验值为110 mm左右。图6对比了框架2在试验和有限元分析中的最终破坏模式。研究未考虑混凝土受火，常温下带混凝土楼板的结构在先前的文章^［23］中进行了验证。

3 受火柱位置的影响

图7—图9分别为变电站结构在承受20 kN/m²楼面荷载作用下，角柱（柱1）、边柱（柱3）和中柱（柱2）受火60 s时结构的最终变形图。在图8中可以看到，受火边柱（柱3）发生了明显的屈曲变形。同时从图7—图9可以看出，无论是角柱、边柱还是中柱受火，右侧一层角部楼板变形最显著，由于角部区域的梁有较大跨度，导致该区域的应力最大，从而变形最大。

受火柱的轴向位移和轴向力随时间的变化如图10—图12所示。可以发现，受火柱位置的不同对结构的最终变形有很大影响。如图10所示，中柱受火时最先失稳，其临界失稳时间为22 s，而边柱和角柱的临界失稳时间分别为27 s和30 s。中柱比边柱失稳时间快约19%，比角柱失稳时间快约27%。这表明，中柱在火灾中的承载能力最弱，边柱次之，角柱最稳定。在柱失稳之前，随着温度升高，钢材会发生温度线膨胀，导致柱长度增加，即轴向位移缓慢增加。随着受火时间的增加，柱中的总轴向变形减小。这是因为随着钢材温度的进一步升高，钢材的强度和弹性模量显著降低，导致柱的膨胀效果减弱。最终，由于柱刚度的显著减小，柱顶发生大幅回缩并失效。

图10（a）为无错层的角柱、中柱和边柱的位移随时间的变化情况。可以看到，所有柱的轴向位移曲线下降相对平稳，没有突然下降的现象。边柱和中柱分别在受火22 s和27 s左右开始弯曲。图10（b）为有错层的角柱、中柱和边柱的位移随时间的变化情况。在22 s和27 s左右，有错层的中柱和边柱出现了明显的突然下降。根据区分火灾下柱动态和准静态失效的定量准则^［25］，有错层的中柱和边柱的失效类型为动态失效，而其余失效类型为准静态失效。因此，受火柱的失效类型可能随其位置的变化而变化。有错层的柱更容易发生动态失效。在柱弯曲前，两种情况下的轴向位移由于热膨胀而缓慢增加，说明了准静态行为。柱屈曲后，准静态失效柱顶缓慢下降，动态失效柱顶突然下降。准静态失效柱在最高温度下达到最大位移；而动态失效情况下的最大位移发生在突然下降的结束时刻，而不是在最高温度下，这是由于加热柱失效过程中的动力效应影响。

图11和图12分别为无错层和有错层情况下的受火柱轴力随时间的变化，正值表示拉力，负值表示压力。可以看到，受火柱始终处于受压状态。在加热过程中，钢框架结构的柱两端受到约束，热膨胀效应会产生额外的压应力，导致轴力下降前出现缓慢的上升趋势。图11和图12中的角柱、中柱和边柱在20 s后，柱陆续失稳，轴力逐渐减少到0。如图12所示，有错层的受火柱轴力的振荡更为明显，说明相较于无错层的柱受火，有错层的柱受火更为不稳定。

4 荷载的影响

为研究结构在不同荷载条件下的承载模式，针对有错层的中柱（柱5），选取了三种均布荷载大小：15 kN/m²、20 kN/m²和25 kN/m²，受火时间为60 s。图13—图15分别为三种均布荷载条件下结构的最终变形云图。可以发现，荷载对结构最终的变形模式有很大影响。在较小的均布荷载下，结构的最大变形出现在右侧角部区域，此时，右侧角部区域为受火最危险区域。随着均布荷载的增大，最大变形位置转移到受火柱区域，结构发生严重变形。如图16所示，在受火初期阶段，三种荷载条件下受火柱的轴向位移差别不显著。在20 s时，柱伸长值分别为23 mm、20 mm、17 mm。位移曲线分别在20 s、22 s和25 s时突然直线下降，呈现动态失效。20 kN/m²和25 kN/m²荷载条件下的结构完全倒塌。这表明结构的临界倒塌时间随荷载的增加而显著减少。荷载比分别增加35%、25%，临界倒塌时间分别减15%、13%。荷载越大，结构的倒塌趋势越显著。

图17为不同荷载条件下有错层中柱受火的轴力变化情况，15 kN/m²荷载条件下，初始轴力约为55 kN。20 kN/m²和25 kN/m²荷载条件下，初始轴力均约为85 kN。在15 s之前，轴力变化剧烈，且荷载越大，轴力变化越大，结构越不稳定。随着时间推移，轴力逐渐下降。随着火灾的持续和材料的退化，在20 s之后，20 kN/m²和25 kN/m²荷载下的结构轴力降至0；荷载为15 kN/m²时，轴力最后稳定在20 kN左右。

5 结 论

本文采用经过验证的有限元模拟方法，研究了单根柱受火情况下的变电站结构的承载性能，对“大跨度”“大开间”“楼面错层”的变电站建筑结构进行了显式的动态分析。研究了火灾位置和荷载大小的影响，得出以下结论：

（1） 不同位置的柱在火灾中的受力和变形行为具有显著差异。中柱受热变形的敏感性最高，而边柱和角柱相对较小。在相同条件下，中柱比边柱失稳时间快约19%，比角柱失稳时间快约27%。

（2） 受火柱的失效类型可能随着位置的变化而变化，有错层的柱更容易发生动态失效。相较于无错层的柱受火，有错层的受火柱更为不稳定。

（3） 不同荷载条件下，受火柱的轴向应力和变形不同。荷载较小时，结构的最大变形出现在右侧角部区域，成为受火最危险区域。荷载增大后，最大变形转移至受火柱区域，且受火柱的轴向荷载增大，失稳时间提前。

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