大空间火灾ABAQUS热力耦合模拟方法

同济土木8年有限元经验，24年技术邻top16。 擅长abaqus论文复现、试验复现、尤其滞回复现。 以第一作者发表多篇一区SCI，全国大学生数学建模竞赛一等奖获得者。 精通领域：结构抗震；滞回曲线；钢筋混凝土结构；预制混凝土结构；预应力混凝土结构；钢结构；节点；框架；剪力墙；砌体；减隔震；惯容系统等。

结构工程领域尤其是空间结构或结构抗火研究数值模拟的学生或工程师

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。

厘清大空间火灾为何不能采用均匀升温模型——空间蔓延与时间效应；

掌握火源位置、火源功率、火灾蔓延速度等火灾参数的设定方法；

掌握升温-灭火热力耦合分析，以及局部细化、整体简化的多尺度建模思路；

一套部件—材料—热力耦合—调试—后处理的完整建模流程，可参考应用于类似空间结构的火灾分析。

关键词：大空间火灾 ｜ 空间网架 ｜ 升温模型 ｜ 热力耦合 ｜ ABAQUS ｜ 多尺度

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。

📌 读到最后，可以收获这些

• 厘清大空间火灾为何不能采用均匀升温模型——空间蔓延与时间效应；
• 掌握火源位置、火源功率、火灾蔓延速度等火灾参数的设定方法；
• 掌握升温-灭火热力耦合分析，以及局部细化、整体简化的多尺度建模思路；
• 一套部件—材料—热力耦合—调试—后处理的完整建模流程，可参考应用于类似空间结构的火灾分析。

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。