《Fire》：Structural Response of a Steel-Frame Building to Traveling Fire
Amit Chandra,
Anjan K. Bhowmick and
Ashutosh Bagchi
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本文针对大空间开放建筑中传统均匀火灾模型假设不足的现实问题，研究了无防火保护三层钢框架在水平行进火（iTFM）与欧规参数火（EC）作用下的结构响应差异，揭示行进火引发的非均匀热膨胀效应显著加剧梁柱内力重分布与局部失效风险，对优化钢结构抗火设计具有重要理论价值。
随着现代大型开放空间建筑的普及，火灾安全设计面临新的挑战——传统抗火规范依赖的“全室均匀火灾”假设，在描述真实火灾的空间动态传播时愈发显得局限。无论是世贸中心倒塌的惨痛教训，还是德黑兰普拉斯科大厦的悲剧，都警示我们：火焰并非瞬间铺满整个空间，而是像潮水般横向蔓延、纵向攀升，形成温度高度不均匀的“行进火”（Traveling Fire）。这种非均匀性不仅考验材料的耐高温极限，更会在结构中制造冷热区之间的拉锯战：受热构件拼命膨胀，却被相邻冷却区域死死“拽住”，引发意想不到的内力剧变和变形失控。对于无防火保护的钢框架而言，这类效应尤为致命——钢材强度随温度升高骤降，而热膨胀产生的挤压与弯曲可能成为压垮结构的最后一根稻草。
在此背景下，《Fire》发表的这项研究聚焦一个关键矛盾：现行设计默认的“最严酷工况”——全室均匀火灾，是否真的比行进火更危险？为解答这一问题，研究团队选取典型低层钢框架，通过精细化的数值模拟对比了多种火灾场景，揭示了行进火如何通过时空温度差异“撕扯”结构，颠覆了传统认知中的安全边界。
研究采用多步骤耦合分析方法：基于SAC Steel Project标准三层钢框架案例，通过ABAQUS建立平面有限元模型（B31梁单元），结合改进的行进火方法（iTFM）与Eurocode参数火曲线（EC）定义35种火灾场景；利用二维热传递模型（DC2D4单元）计算构件截面温度演化，将节点温度场作为预定义场导入结构模型；采用动态隐式算法求解几何非线性响应，依据L/20梁挠度限值与2.5%层间位移角判定失效，并通过小尺度试验验证模型准确性。
3.1. 热传递分析结果
截面温度演化的时空特异性
行进火的移动特性导致构件温度历史强烈依赖于空间位置：梁跨中温度峰值随火焰前锋经过而波动（图12），同一截面在不同位置的加热时长差异达数倍；柱体温度则呈现沿火蔓延方向的累积效应——尾端立柱（如C4）因持续暴露于高温烟气，峰值温度较前端（C1）显著提升（图13）。相比之下，EC均匀火下同截面构件温度完全同步，掩盖了真实火灾的区域性特征。
3.2. 行进火对结构响应的重构效应
轴向力的冷热博弈
行进火在结构中制造了“加热区-冷却区”的动态张力：加热梁受热膨胀受阻产生巨大压力，而冷却阶段收缩反向引发拉力（图14-15）。小范围行进火（F5/F10）的缓慢燃烧延长了冷却再平衡过程，使未受火楼层承受比受火层更极端的压缩力；多楼层同时受火时，同步膨胀削弱约束效应，轴力显著降低。值得注意的是，25%行进火在某些工况下诱导的梁端拉力超出EC火15%，揭示了非均匀热循环的潜在破坏力。
失效模式的时空迁移
行进火改变了结构的“崩溃逻辑”：EC火下最大挠度出现在中央跨（Bay2），而行进火的首个梁失效始终发生在火源起点的左侧跨（Bay1）（图16-17）。更大的行进火规模（F25/F48）加速局部失效——S3_F48场景下顶层左梁9.9分钟即突破临界挠度，而对应EC火工况却未触发失效。更为严峻的是，行进火引发的侧移呈现明显不对称性（图18），柱体最大侧向位移较EC火高56%，极大降低了受压构件的屈曲承载力。
系统的脆弱性边界
尽管多数工况未引发整体坍塌，但行进火暴露了局部失效的连锁风险：首层48%行进火（S1_F48）导致边柱C4屈曲，触发体系级失稳；小范围行进火虽未立即摧毁结构，却在首层立柱埋下屈曲隐患。这暗示着：缓慢移动的小火可能通过长期热疲劳积累损伤，而快速蔓延的大火则直接冲击稳定性边界。
研究表明，行进火并非均匀火的温和变体，而是通过时空温度梯度重塑结构受力机制的“隐形推手”。对于无防火保护钢框架，行进火导致的非对称变形和交替热应力，使局部失效时间提前、失效位置转移，甚至在某些场景下触发整体失稳——这与传统设计中“均匀火最恶劣”的假设截然相反。
这一发现的意义远超单个案例：它揭示了现代大空间建筑抗火设计的盲区——只考虑“烧得有多旺”不够，必须回答“火怎么跑”。未来的安全评估需引入动态火灾场景族，捕捉热膨胀与约束松弛的交互效应；对于既有无防护钢结构，尤其需警惕冷却阶段的再平衡力对柱稳定性的隐性侵蚀。
当然，研究仍存局限：平面模型简化了空间协同效应，连接节点的刚度退化尚未纳入，且三维火蔓延与竖向构件温度梯度的耦合有待深挖。但这并不妨碍其发出清晰信号：在火焰行进的路上，结构的命运不只取决于材料强度，更系于冷热之间的每一次拉扯。
