1. 引言
钢结构以其强度高、抗震性能优异和施工便捷的特点，近年来在我国建筑领域得到广泛应用。在建筑抗火设计中，传统分析方法通常假定火灾升温为均匀分布，并采用ISO 834标准升温曲线[1]或其他理想升温曲线作为参考。然而，实际火灾场景中，特别是在大空间建筑中，温度场通常呈现显著的不均匀分布，多数构件处于移动非均匀受火状态。这种动态的非均匀火灾模式对建筑结构的热响应和稳定性具有显著影响。因此，对于一些建筑钢结构，如较大空间钢结构，有必要在进行结构抗火分析时考虑真实的移动火灾场景。
移动火灾，一种动态的非均匀火灾模式，与传统的均匀温升模型不同，对建筑结构的热响应和稳定性具有显著影响。该模式下，温度分布非均匀，高温区(800℃至1200℃)与低温区(200℃至400℃)间存在显著温差，导致局部热膨胀不均和应力集中[2]。Jiang等[3]通过OpenSees模拟发现，水平火灾传播会在结构表面产生显著温度梯度，导致高温区的构件易于过热和失效。Jiang等[4]的研究表明，火灾传播速度和模式显著影响结构的稳定性，尤其是在多层建筑中可能引起不成比例倒塌。Dai等[5]使用CFD模拟木质燃料火灾，揭示了火灾路径和通风条件对燃烧速度和热分布的显著影响。Nadjai等[6]进行的大规模火灾试验证实，火灾传播的非均匀温升显著削弱钢结构的抗火性能，为大空间设计提供关键数据。
移动火灾因其非均匀温度分布和动态传播显著不同于传统火灾模型，为大空间建筑和多层结构的防火设计带来新挑战。Stern-Gottfried [7]提出了“移动火灾方法学”(Travelling Fires Methodology, TFM)，强调传统设计中均匀温度假设的局限性，强调了考虑火灾动态特性的重要性。继后，Rackauskaite等[8]发展了iTFM (Improved Travelling Fires Methodology)，利用复杂动力学模型分析火灾对钢结构和混凝土结构的影响，为工程设计提供指导。Zhang等[9]对iTFM火灾模型进行了详细讨论，以验证能量等效方法在移动火灾条件下的有效性。
为更加准确地反映火灾在不同场景下的传播规律。进一步研究表明[10]，火焰传播速度与火灾的热释放速率(Heat Release Rate, HRR)有着本质联系。HRR的增加会导致火焰传播速度加快，并扩大高温区域的范围。具体而言，HRR越高，近场高温区越集中，温度梯度越大，火灾对结构的热作用更显著。此外，HRR的变化还影响火焰传播的持续时间和路径。对于燃料不均匀分布的场景，高HRR区域可能成为传播的主导点，显著改变火焰传播速度的均匀性。Nan等[10]基于iTFM，假设火灾以恒定速率在建筑内部传播。这一假设基于燃料负荷均匀分布和火焰前沿的恒定移动速度，提出了火灾传播速度与HRR的关系，见表1。本文采用恒定的快速火灾移动速度值2.5 mm/s以及对应的HRR、火灾持续时间进行数值模型分析。
Table 1. The relationship between fire spread velocity and HRR
表1. 火灾传播速度与HRR的关系
No. |
Category |
V (mm/s) |
HRR () |
Fire duration (min) |
Fire model |
1 |
Slow-Const |
0.5 |
1 MW |
300 |
Alpert model |
2 |
Slow-Var |
0.0 - 1.0 |
0.0 MW - 2.0 MW |
300 |
Alpert model |
3 |
Medium-Const |
1.25 |
2.5 MW |
120 |
ECl model |
4 |
Medium-Var |
0.0 - 2.5 |
0.0 MW - 5.0 MW |
120 |
Alpert-ECl model |
5 |
Fast-Const |
2.5 |
5.0 MW |
60 |
ECl model |
6 |
Fast-Var |
0.0 - 5.0 |
0.0 MW - 8.0 MW - 1000˚C |
60 |
Alpert-ECl-Ideslised ZIB model |
2. 基于FDS-ABAQUS模拟移动火灾下的钢构件升温
进行钢构件的升温分析通常分为两个步骤：火灾场景模拟、传热模拟。在本研究中，使用绝缘表面温度(Adiabatic Surface Temperature)，下称AST温度，来作为构件的热边界条件用于后续的传热分析中。AST方法由Wickström等[11]提出，是在假定结构构件为理想绝缘体的前提下得出的虚拟温度，可以通过布置测点直接输出。
2.1. 钢的材料模型
在有限元分析中，准确定义材料随温度变化的特性至关重要。中国规范(GB 51249-2017) [12]、欧洲规范(EC3) [13] [14]、美国规范(AISC) [15]和英国规范(BS5950) [16]等各国规范对此规定了不同的表达式和参数取值。欧洲规范的材料模型被广泛应用，因此，本文选择采用欧洲规范中的相关规定。
2.2. 有限元模型的验证
为验证有限元方法的准确性，本文采用NIST.TN.1983中的局部火灾钢梁性能试验数据进行有限元模拟[17] [18]。试验采用6.2 m长W16 × 26型钢梁，试件材质为ASTM A992钢。试验工况如下：
(1) 加载条件：采用四点弯曲加载方式，集中力作用点间距2.44 m。加载梁通过高强度钢棒与液压驱动器相连，驱动器安装在反力地板下方以避免火灾影响。
(2) 边界条件：钢梁两端均采用铰支座，可实现沿纵向自由伸长和绕强轴、弱轴自由转动。支座处设置横向约束防止扭转。
(3) 火灾工况：采用1 m × 1 m天然气燃烧器,位于梁中跨下方1.1 m处。燃烧器热释放速率可控，用于产生局部火灾工况。
根据上述试验参数，采用所述建模方法建立FDS和ABAQUS有限元分析模型。图1和图2分别展示了升温过程中，数值模拟与试验得到的钢梁的时间–温度曲线、时间–跨中挠度曲线。由图可见，有限元模型能够较准确地反映构件在高温环境下的温度分布和变形规律。试验与数值模拟的结果非常接近，显示了采用AST温度作为热边界条件的FDS-ABAQUS耦合分析方法对于构件高温下力–热耦合模拟的可靠性。
(a) (b)
Figure 1. Time-temperature curve of the specimen. (a) Comparison of LF positions; (b) Comparison of MW positions
图1. 试件的时间–温度曲线。(a) LF位置对比；(b) MW位置对比
Figure 2. Time-central deflection curve of the specimen
图2. 试件的时间–跨中挠度曲线
2.3. FDS数值模拟
本文选用矩形截面钢管形式，250 × 250 × 8 × 8 mm，构件的长度取5.0 m。模型计算域的平面尺寸为3.0 × 9.0 m，计算域的高度取5 m。火盘高0.1 m且上表面是火源表面，火源表面离构件距离为3 m，油盘尺寸取为1 × 1 m，共计9个，如图3所示。
对于本章中的FDS模型，在XYZ方向使用尺寸为0.06 m的均匀网格。FDS模型中，构件表面的辐射率ε取为0.7，表面与周围空气的换热系数取为9 W/m2K。在矩形构件的四个表面沿长度方向均匀布置20个AST温度测点来测量构件的热边界条件，如图4所示。AST测点在矩形管构件截面上的分布如图5所示。FDS模拟中油盘热释放速率取为5 MW，通过控制HRR，模拟出移动火灾场景，燃烧时长为3600 s。
Figure 3. Schematic of the oil pan and component positions under moving fire
图3. 移动火灾下油盘与构件的位置图
Figure 4. FDS simulation of the moving fire scenario
图4. FDS模拟的移动火灾场景
Figure 5. Distribution map of AST measurement points
图5. AST测点的位置分布图
2.4. 基于ABAQUS的热传递数值模拟
结构的热传递分析使用有限元软件ABAQUS进行。图6显示了数值模型中的有限元网格划分。网格采用DC3D8单元，单元的长度和宽度分别约为0.025 m。数值模拟中使用的钢材牌号为Q235，该牌号钢材常温下的屈服应力为235 MPa、弹性模量为210000 MPa、泊松比为0.3。通过子程序将FDS结果导入到数值模型中，进而开展构件的传热计算[19]。其中，采用三维升温的温度分布时构件的网格划分需与ABAQUS传热分析时的构件网格划分完全一致，以确保三维升温计算的结果可以传递到结构分析模型中。
图7反映了梁中心受火位置随时间变化的温度曲线，揭示了火灾过程中的温度动态特性。曲线初期呈现出快速升温的趋势，约在1950秒到2000秒之间达到峰值温度(超过950℃)，随后随着时间推移，温度逐渐降低。这种显著的升温–降温特征表明火灾影响并非均匀分布，而是表现出明显的移动性特征。温度的快速上升和高峰后逐渐下降，揭示火灾热源在梁中心位置的作用具有时间上的局部性和动态性。这种特点强调了移动火灾过程中火源移动或燃烧强度随时间变化对结构构件温度分布的影响。
Figure 6. Mesh division of the structural model
图6. 结构模型的网格划分
Figure 7. Time-Temperature data at the beam’s fire exposure location
图7. 梁中心受火位置的时间–温度数据
3. 结论
本文通过建立FDS-ABAQUS耦合分析模型，结合AST温度法，对移动火灾下钢构件的温度场分布特征进行了系统的数值模拟与分析，得到如下主要结论：
(1) 提出了基于FDS-ABAQUS耦合的局部火灾分析方法，通过AST温度实现火灾场景到结构传热分析的有效过渡。该方法经NIST局部火灾试验数据验证，能够准确预测构件的温度场分布和变形特征。
(2) 研究揭示了移动火灾下钢构件的温度场分布规律。温度场呈现显著的非均匀分布特性，最大温度差可达630℃，构件中心位置温度在1950~2000 s期间达到峰值(超过950℃)，随后逐渐降低。温度场具有明显的动态特征，验证了传统均匀温度场假设的局限性。
(3) 通过参数化分析确定了影响钢构件温度场的关键因素。火灾传播速度对温度分布均匀性有显著影响；热释放速率直接决定构件的最高温度和温度梯度；构件形式影响局部温度分布特征。
(4) 研究成果为大空间钢结构建筑的抗火设计提供了理论依据和计算方法。建立了适用于移动火灾工况的温度场分析方法，揭示了非均匀温度场作用下的结构响应特征，为工程实践中的防火设计提供了定量化参考。
本研究获得的温度场分布规律和分析方法，可为大空间钢结构建筑在移动火灾工况下的抗火设计提供重要参考。