大空间火灾ABAQUS热力耦合模拟方法

网架结构广泛用于大跨度机场、体育馆等人员密集场所；而钢结构抗火性能差，一旦发生火灾，容易发生构件破坏甚至整体倒塌。开展大空间网架的 ABAQUS 抗火模拟时，诸多难点随之显现：升温模型如何选取、火源位置与火源功率等火灾参数如何进入模型、升温-灭火的热力耦合过程如何实现，以及大跨结构单元庞大时如何兼顾精度与计算代价。大空间火灾具有空间蔓延与时间效应，若直接套用均匀升温方式，温度场与构件受力均会产生明显偏差。

1　模拟背景：大空间网架的耐火难题

网架结构凭借跨度大、自重轻的优势，广泛用于机场航站楼、体育馆、展览馆等人员密集的大空间场所。但钢材对温度十分敏感，高温下强度与刚度迅速退化，一旦发生火灾，构件容易在短时间内失效，甚至引发整体倒塌——历次火灾中均不乏网架整体坍塌的实例。因此，大空间网架钢结构的抗火性能研究具有明确的工程意义。

图 1　钢结构火灾倒塌事故

2　案例对象：四角锥空间网架

本期案例的空间网架采用四角锥体系，腹杆与弦杆通过节点汇交成空间网格，是大跨屋盖中最常用的结构形式之一。正因其覆盖范围大、空间作用显著，其火灾作用下的温度分布与受力行为需要重点研究。

图 2　某一空间网架实景

3　难点一：大空间火灾为何不能均匀升温

相对均匀受火方式，大空间火灾的火源通常局限于局部区域，火焰与热烟气在空间上蔓延、随时间发展：火源附近温度高，远离火源处温度低，且分布随燃烧过程不断变化。若仍采用简单的均匀升温模型，则等同于假定结构整体处于均匀温度场——火源附近的真实高温被均化，构件的升温历程与内力分布都将失真。因此，须采用考虑时间、空间效应的高、大空间升温模型。

4　难点二：火灾参数如何进入模型

升温模型确定之后，火灾场景的合理设定同样关键。本案例需考虑火源位置、火源功率、火灾蔓延速度等参数：火源位置不同，对应的温度场分布与最不利构件就不同；火源功率决定升温速率与最高温度；蔓延速度刻画火灾的发展过程。三者组合，才能还原真实的大空间火灾场景，也为考察不同受火工况提供条件。

5　难点三：升温-灭火全过程与多尺度建模

本案例模拟的是升温-灭火的热力耦合过程——先随火灾发展升温，再随灭火降温，全过程温度与受力相互耦合。同时，大跨网架杆件数量庞大，若整体精细化建模，计算成本过高，难以承受。本案例采用局部细化、整体简化的多尺度分析方法：整体结构适当简化以控制规模，关键受火区域局部细化以捕捉温度梯度与局部行为，精度与效率兼顾。

6　温度场与破坏形态

计算完成后对结果进行校核。图 3 给出了高温分布云图：火源附近区域温度显著高于远离火源的构件，最高温度约 630℃，温度场呈显著的空间不均匀特征。

图 3　高温分布云图

破坏形态见图 4：位移集中出现在火源作用区域附近，远离火源的构件变形较小。温度场与变形分布相互印证，表明模型能够如实反映大空间火灾的空间效应与时间效应。

图 4　破坏形态

7　结语

大空间网架的抗火分析，核心在于如实还原火灾的时空发展过程：升温模型、火灾参数、热力耦合与多尺度建模，任一环节处理不当，温度场与破坏形态都会失真。本期从模拟背景、案例对象、关键技术，到温度场与破坏形态，系统梳理了大空间火灾热力耦合模拟的完整方法。部件建模、材料属性、热力耦合设置及调试、后处理等关键细节，将在视频中讲解。期望能为从事空间结构火灾分析的研究者，提供可借鉴的技术路径。