火灾环境下钢结构力学响应行为研究回溯与前瞻

火灾环境下高温对结构钢材的力学性能具有显著的不利影响.通常钢材在200～400℃的温度下力学性能开始下降,在800℃以上几乎丧失所有的强度.火灾环境下的钢结构力学响应行为是钢结构抗火设计的前提.为了展示火灾环境下钢结构的力学响应研究的清晰脉络,首先综述了火灾环境工况加载、钢结构升温规律的研究文献,然后从钢的耐火性能分析开始,评述了钢结构形式对耐火性能的影响和热作用下的结构变形研究.研究表明:若采用ISO 834标准升温曲线作为热加载方式,钢结构的升温规律和力学响应行为与真实火灾场景下相比差异显著,在标准火下钢的抗火时间更长;钢结构在火灾环境下的热应变随温度升高而增大,最终导致屈曲和过度挠度;当温度超过400℃时,高温蠕变会加速结构的失效;试验和数值模拟方法能很好地预测钢结构在真实火灾环境下的温升规律;较为真实地表征钢结构的不均匀力学响应行为,首先需要加载真实的火灾工况,同时要充分考虑钢结构形式,并耦合运用工程热物理、力学相关工具和方法;钢附着可燃材料燃烧的热反馈及相应的力学响应行为是钢结构抗火研究的新问题,针对该问题需要建立科学的热-力耦合工程定量测试方法.     

论发泡剂在钢结构防火涂料性能中影响

近年来,现代化厂房、机场候机楼、影剧院、体育馆、大型超市等大跨度建筑物广泛采用钢结构。钢材作为主要结构材料,具有跨度大、自重轻、可预制加工等诸多优点。由于钢材自身不燃,因此钢结构的防火隔热保护问题曾一度被人们所忽视;据国内外相关资料报道和专业机构的试验结果显示,钢结构建筑的耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差。钢材的力学性能是温度的函数,机械强度随温度的升高而降低;钢材失去承载能力时的温度,定义为钢材失效的临界温度;通常建筑用钢材的临界失效温度为540℃。对于建筑火灾,温度大多在800-1200℃之间。国际标准火灾升温曲线公式为:     

软煤样断裂韧性加载速率效应实验研究*

为探究加载速率对软煤样Ⅰ型断裂韧性的影响,对取自云南老厂的煤样开展压入硬度实验及不同加载速率条件下的断裂韧性实验,分析加载速率及割理角度对软煤样断裂特性的影响。结果表明:实验老厂煤岩压入硬度分布在51.84～125.03 MPa之间,按压入硬度划分属于软岩类别;实验岩样Ⅰ型断裂韧性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm^0.5之间,平均值为0.096 5 MPa·mm^0.5;在0.2～1.1 mm/min的位移加载速率范围内,实验软煤岩Ⅰ型断裂韧性值随加载速率的增大呈现先增大后降低的规律,割理角度对软煤岩Ⅰ型断裂韧性有较大影响,Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系呈现为负线性相关性。低加载速率条件下,软煤岩表现为韧性断裂,高加载速率条件下,软煤岩表现为脆性断裂,加载速率的变化导致软煤岩断裂类型的变化。     

论发泡剂在钢结构防火涂料性能中影响

近年来,现代化厂房、机场候机楼、影剧院、体育馆、大型超市等大跨度建筑物广泛采用钢结构.钢材作为主要结构材料,具有跨度大、自重轻、可预制加工等诸多优点.由于钢材自身不燃,因此钢结构的防火隔热保护问题曾一度被人们所忽视;据国内外相关资料报道和专业机构的试验结果显示,钢结构建筑的耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差.     

Q345(16Mn)钢在恒温加载条件下的应力-应变曲线和弹性模量

为评估和分析钢结构的耐火性能，对我国10个钢厂生产的16Mn钢进行152次恒温加载试验研究。结果表明，钢材的应力-应变曲线随温度升高，应力变小而应变增大，曲线斜率即弹性模量随温度升高和应变增大而趋于零。钢材在高温下的弹塑性性质非常明显，在钢结构高温性能分析中应当考虑这种特性。依据试验结果构建了以表格形式表达的钢材折线应力-应变曲线和弹性模量，为火灾下钢结构的变形和温度应力计算提供参考。     

窄间隙埋弧焊接接头的韧性断裂行为

基于局部韧性损伤、断裂准则，采用窄间隙埋弧焊接工艺、圆形缺口拉伸试验，研究了压力容器用钢BHW35窄间隙埋弧焊接接头，各特征区的断裂韧性参数Wdc。结果表明，采用H10Mn2NiMoA焊丝作为填充材料，焊缝、粗晶热影响区（CGHAZ）、熔合区的断裂韧性值差别不是十分明显，但熔合区和CGHAZ的断裂韧性值相对较低，而CGHAZ的断裂韧性值最低，是接头的薄弱部位。采用基于损伤力学的局部破坏准则，评定窄间隙焊接接头的断裂韧性试验方法简单，可以采用小试样缺口试验进行。且同一特征区的断裂韧性数值比较稳定，因此比较适合评定焊接接头的韧性断裂行为。     

RBI技术应用于LNG设备上的改进研究

基于API581的风险评估技术(RBI)是近年来石化行业逐渐采用并得到认可的一种新的评估设备经济可行性和安全性的技术。但是由于LNG的温度一般低至-162℃,使得LNG设备在应用API581时受到了限制。低温脆性断裂是LNG设备需考虑的一项主要的失效模式,API在评估脆断损伤因子时的温度范围是-73~38℃。为了能够评估LNG设备在低温环境下的风险,通过遗传算法将温度扩展至-209℃。扩展得到的脆断损伤因子曲线同夏比冲击试验的冲击功随温度变化曲线的趋势基本一致,因此扩展的损伤因子可以满足低温环境下LNG设备的风险评估。     

国产Q345钢在不同热-力路径下的材料性能对比和材料模型应用

为评估和分析钢结构的耐火性能,以我国10个钢厂生产的Q345钢的424次恒载升温试验和152次恒温加载试验结果为依据,对钢材强度和应变以及不同的热-力作用路径下的力学性能进行对比研究。结果表明,在所有热-力作用路径下,恒载升温试验的强度最小,应变最大,临界温度最低;恒温加载试验的强度最大,应变最小,临界温度最高。随温度升高,热-力作用路径对钢材的力学性能影响增大:在450℃以下影响较小,在500℃以上时影响显著。如果规范采用恒温加载试验强度,是不可靠的。恒载升温条件下的ε-T-k材料模型和恒温加载条件下的ε-k-T材料模型均不能单独用于超静定钢结构的性能分析。超静定钢结构的性能分析可把火灾过程离散为若干时段,把每个时段分解为两个独立的应变-温度过程和应变-应力过程,分别应用恒载升温条件下的ε-T-k和恒温加载条件下的ε-k-T材料模型进行分析,然后迭加计算以得出最后的应变。     

集体协商 创新激励机制

中铁山桥集团有限公司是我国规模最大的钢桥梁、钢结构制造基地和铁路器材研发中心，承担着我国特大型钢桥梁、钢结构和高速、提速及普通铁路道岔等铁路装备器材的研发制造，集团公司制造完成的武汉、南京、九江、芜湖、润扬等长江大桥已名扬海内外。跨入新世纪以来，中铁山桥集团有限公司发扬敢想敢干敢争先，求真求实求发展的企业精神，铸造不断创新的企业灵魂，大力构建和谐的企业环境，使企业得到了跨越式的发展。     

火灾下梁柱端板连接节点的力学性能研究

通过火灾作用下门式刚架半刚性端板连接节点ANSYS计算模型的分析,得出了节点的转角温度关系及转角达到极限状态时的临界温度,为分析节点在火灾下的转动性能和节点的抗火能力提供一种经济、可行的方法,并发现在进行ANSYS模型抗火计算时,采用EC3高温下钢材特性较为合理。对基于计算的钢结构节点抗火设计方法研究具有理论意义和工程...     

ASMEⅧ-1中材料；中击试验豁免的判断及影响因素

容器选材只考虑材料具有一定的强度、良好工艺性及焊接性是不够的,有时还需考虑低温工况下材料具有足够的韧性,目前评价材料低温韧性最常见的方法是夏比冲击试验法。由于容器在低温工况下容易产生脆性断裂,危害较大,因此判断材料是否需要冲击试验对设备安全性而言有着举足轻重的作用。     

公路桥梁发热电缆除冰系统试验研究

发热电缆加热桥面融雪化冰对于保障公路桥梁交通安全具有重要意义。制作了600mm×600mm×380mm的桥梁试件,通过低温人工环境室对 试件上表面结冰和融冰过程进行了模型试验。结果表明:在恒定线功率30W/m条件下,90mm间距发热电缆融冰系统的融冰能力要远大于140mm间 距融冰系统;若在90mm间距电缆敷设层采用隔热材料和SMA-13沥青上面层采用导热沥青,则可以缩短融冰时间,提高除冰能力;为有效防止桥 面结冰,桥面温度宜控制在2.5~3.0℃之间。研究结果对桥梁除冰系统设计和运行控制提供参考。     

超高强度钻杆低温断裂性能及裂纹扩展特征研究

超高强度钻杆在冬季低温环境下容易发生脆性断裂事故,为了从断裂力学角度揭示其冷脆现象的本质,采用ZBC2302-D型示波冲击试验机,获得了不同温度下超高强度钢在冲击断裂过程中的力-位移曲线,并对比分析了冲击功、起裂功和裂纹扩展功之间的变化关系。采用国家标准GB 4161—2007中的计算公式,计算了冲击试样的裂纹扩展量Δa和阻抗应力强度因子K_R;同时,引入K_R阻力曲线,得到超高强度钻杆在不同温度下的剩余强度图。结果表明,当冲击试样开始出现裂纹时,随温度降低,钻杆的初始起裂应力有所增加,出现硬化现象。当钻杆出现一定长度的裂纹时,随温度降低,阻抗应力强度因子越来越小,而且降低速度越来越快,剩余强度也表现出相同的变化趋势。随温度降低,材料抵抗裂纹扩展的能力逐渐下降,表明钻杆在低温下更容易断裂。     

火灾下匀质防火保护钢构件温度计算(II)：实际火灾环境计算

目前各国规范给出的计算火灾下有匀质防火保护的钢构件温度的公式都是基于标准火灾环境得到。标准火灾只包含升温段而实际火灾包括升温段和降温段。考察了将现有公式用于实际火灾环境计算的有效性。通过工况分析,考察了不同火灾、不同厚度、不同截面和不同防火涂料情形下的钢材温度。通过与有限元分析的结果比较,我国规范推荐的公式给出的钢材温度与有限元结果符合最好。研究同时表明欧洲规范中使用的避免升温早期负钢材温度增量的方法,即升温段当计算得到的钢材温度为负值时取增量为0,会引起最高钢材温度和降温段钢材温度的偏高,不适用于实际火灾环境计算。综合而言,我国规范最适用于实际火灾环境计算。     

桥梁安全状态评估有限元模型修正方法

桥梁结构的长期健康监测和安全状态评估需要一个能真实反映结构静动力特性的有限元(FEA)模型,而初始有限元模型与实际结构往往存在误差。提出一种有限元模型修正方法:首先进行环境激励测试,然后用随机子空间(SSI)识别,最后用粒子群算法(PSO)进行优化。以一座模型斜拉桥为例,利用布置在桥梁上的拾振器,测试环境激励下的桥梁的振动信号;采用SSI法对测得的信号模态识别,并用PSO修正有限元模型。结果表明,经过修正,桥梁有限元模型的第1,3,4和5阶频率值与实测信号分析值的误差均减小,能真实反映结构的静动力特性,可用于桥梁安全状态评估。     

野外极端低温环境人体皮肤温度变化研究

为明确不同极端低温环境与防护装备下,日间清醒和夜间睡眠状态下各部位皮肤温度变化特征,在-16 ℃～-30 ℃极端低温环境下,采用皮温测量系统对实验对象5个代表性部位（胸部、手臂、大腿、小腿和脚趾）皮肤温度进行测试。结果表明:日间测试胸部温度相对最高,大腿和小腿在实验中后期出现温度反转。夜间除脚趾外,各部位皮肤温度变化差异较小,大腿温度相对最高,小腿温度与其他部位分离。研究结果可为低温环境下防护服研发与保暖效果评价提供参考。     

铁路桥梁段环境振动分频段预测方法

针对铁路环境振动,在考虑振动频率对振动传播衰减的影响下,将桥梁荷载视为点列式荷载,提出适合桥梁段环境振动的分频段预测方法.为考察该方法在铁路桥梁段环境振动预测中的适用性,分别采用该方法和现行的铁路环境振动常用预测方法对成灌快速铁路某桥梁段10～40 m范围内的地面环境振动进行预测,并将两种方法的预测结果与实测结果进行对比.结果表明,铁路桥梁段环境振动分频段预测方法在实际桥梁段环境振动预测中能够取得很好的预测效果,且相对于现行铁路环境振动的常用预测方法,其预测精度更高.     

液化气球罐应力腐蚀开裂试验研究

由于炼制进口高硫原油,在炼油球罐检验中发现越来越多的内表面应力腐蚀裂纹。对球罐应力腐蚀开裂的原因和主要影响因素进行分析。从液化石油气球罐的安全性出发,采用线弹性断裂力学方法,针对16MnR和SPV50Q球罐所用钢材,在分析湿硫化氢环境下应力腐蚀开裂形式的基础上,通过改进的WOL预裂纹试样的应力腐蚀开裂试验,对不同球罐所用钢材、不同硫化氢浓度、不同焊接状态条件下的应力腐蚀开裂进行研究,并对设备所采用的材料、所处的介质浓度、材料的热处理状况等进行分析,并提出了防止对策。该方法也适用于液化石油气球罐应力腐蚀开裂,以预测事故的发生。     

结构用钢(16Mn)恒载加温试验研究

利用WAW-1000微机控制伺服万能试验机对四大钢厂的钢材进行了182次恒载加温试验。荷载水平分为0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85共13个应力水平,温度为200℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃共8个水平。通过对总变形分离成荷载变形、膨胀变形、温度应力耦合变形三部分,以试验取得的数据进行回归,得到各变形的经验计算公式,并构建出该类国产钢材的应变-温度-应力材料模型和临界温度计算模型。根据该模型,当屈服应变已知时,可由临界温度计算模型反推出临界温度,为钢结构保护层厚度计算提供方便。此外,利用该材料模型可为钢结构抗火整体分析提供一定的理论支持。     

极端温度下帐篷内部热环境适应性实验及模拟研究*

为揭示民用救灾帐篷热环境适应性变化规律,通过大尺度环境气候舱构建高温与低温环境,采用Ansys Fluent商用软件代码进行仿真验证,并对帐篷蓬围结构和内部热环境分布变化规律进行实验与数值模拟。研究结果表明:使用大尺度环境舱直接进行模拟帐篷内外热环境变化可行,其内部热环境变化规律与实验基本一致;帐篷特殊的篷围结构导致高温环境下帐篷内部温度高于外界,帐内人员头部和脚部温差可达5 ℃,低温环境下帐篷同一高度横向区域温度对称分布,在中心区域温度较低,边缘和中心温差近8 ℃。