结构抗火混合试验方法的研究进展∗

基于构件标准试验的抗火试验方法很难考虑非受火构件对受火构件的约束效应,也难以反映受火构件对整体结构抗火性能的影响,而正在兴起的抗火混合试验方法是解决上述问题的一条重要途径。本文首先简述传统结构抗火试验方法及其面临的问题,进一步阐述了抗震混合试验与抗火混合试验的关系,然后从试验流程原理、典型试验装置及对应力学边界条件、试验子结构选取与数据交换、不同试验方法的结果对比等方面较为系统地介绍了第一代抗火混合试验,并简要介绍了正在进行中的第二代抗火混合试验系统及其特点,最后总结了抗火混合试验中有待进一步深入研究的几个关键科学问题。     

多高层钢结构耐火性能的子结构分析模型与分析方法

基于整体钢结构在局部火灾下的反应规律,将高层钢结构的初始倒塌破坏类型进行了分类(中间柱初始倒塌、边柱初始倒塌以及梁柱同时倒塌),根据整体结构约束影响和荷载影响,提出局部火灾下多高层钢结构耐火性能分析的相应子结构分析模型及其分析方法。子结构模型的边界充分考虑周围约束的影响,尤其是周围梁和上层柱构件以及层数的影响。针对不同类型的子结构模型,通过建立相应的具体子结构有限元模型,合理考虑边界条件的影响。最后基于建立的数值模型,研究了子结构的火灾反应规律与破坏机理,并与整体结构的分析结果进行了比较,结果表明:子结构分析模型与分析方法可以合理准确地分析整体结构的耐火性能。     

钢筋混凝土框架的多尺度抗火混合模拟∗

针对整体结构火灾试验费用高昂、传统构件试验无法反映整体结构性能、全实体单元模型抗火计算效率不高等问题,基于 ABAQUS 软件,建立钢筋混凝土传统单柱、全实体单元平面框架、多尺度平面框架、多尺度空间框架、 混合模拟平面框架 5 种模型,进行了基于底层中柱受火工况下整体结构的抗火性能对比分析,研究了不同建模方式的计算效率、约束对耐火极限的影响、混合模拟与常规数值模拟的差异,结论证实：缺少约束条件下的传统单柱的耐火极限相对整体结构偏低;多尺度模型相对全实体建模其计算效率提高 80% 左右;多尺度空间模型相对多尺度平面模型约束效应更强,在保持相同承载力的情况下变形相对更小;混合模拟模型与多尺度平面模型相比其力学性能具有较强相似性,证实采用多尺度混合模拟能够较好地反映整体结构的抗火性能,同时兼顾了计算效率和计算精度的统一。     

预应力轴心受拉钢构件抗火性能研究(Ⅲ):实用设计方法

为研究预应力轴心受拉钢构件的抗火性能,利用传热学原理对火灾下预应力轴心受拉钢构件的温度分布进行了理论分析,得出了任意爆火时刻预应力索温度的差分计算式。分析表明:火灾下拉索升温随拉索的等效直径增加而降低,随预应力钢管的温度升高而升高。利用索温度的差分计算式以及抗火设计基本思路,推导出预应力轴心受拉钢构件临界温度的简化计算方法,并采用试验研究、有限元方法对计算方法进行了验证。该计算方法表明构件的临界温度随着约束刚度比的增加而升高,随着荷载比的增加而降低。     

局部火灾引起整体钢结构倒塌初始破坏机理的试验研究

为研究局部火灾下整体钢结构倒塌的初始破坏机理,分别考虑中柱及边柱受火破坏类型,设计了4个平面钢框架结构进行火灾试验研究。试验在立体火灾试验炉内进行,采用恒载升温模式。试验过程中,首层中柱或边柱以及与之相连的钢梁受火,中间层钢柱和梁柱节点采取防火保护措施,受火柱底部与自制测力支座通过螺栓连接。通过试验得到了受火梁、柱的温度场分布和位移反应的变化规律,以及受火中柱的轴力变化过程,对引起整体钢结构倒塌的初始破坏过程和破坏机制进行了分析。     

局部火灾引起整体钢结构倒塌初始破坏机理的试验研究北大核心CSCD

为研究局部火灾下整体钢结构倒塌的初始破坏机理,分别考虑中柱及边柱受火破坏类型,设计了4个平面钢框架结构进行火灾试验研究。试验在立体火灾试验炉内进行,采用恒载升温模式。试验过程中,首层中柱或边柱以及与之相连的钢梁受火,中间层钢柱和梁柱节点采取防火保护措施,受火柱底部与自制测力支座通过螺栓连接。通过试验得到了受火梁、柱的温度场分布和位移反应的变化规律,以及受火中柱的轴力变化过程,对引起整体钢结构倒塌的初始破坏过程和破坏机制进行了分析。     

基于纤维模型的受火后混凝土框架的有限元分析

为了分析受火后混凝土框架结构的残余力学性能,基于纤维模型的思路,将梁、柱构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及受火损伤后材料力学性能的变化。以ABAQUS通用有限元软件为开发平台,利用Python编程语言对其进行二次开发,将SAP2000建立的模型文件导入到ABAQUS中,对基于纤维模型的混凝土框架进行受火后的温度场分析和非线性力学分析。通过一个多层多跨三维混凝土框架火灾反应的实例,对该框架在受火后的力学反应进行了分析,可为评估混凝土框架结构受火后的残余力学性能提供参考。     

大空间单跨门式刚架结构抗火性能影响因素的客观权重研究

火灾时的大空间单跨门式刚架结构抗火性能,受钢构件温升和结构整体抗火临界温度的影响.本文通过对无保护大空间建筑钢构件温升数据的统计分析,获得包含火源功率、建筑体积、钢构件截面形状系数的钢构件温升拟合公式；结合单跨门式刚架结构整体抗火临界温度数据的统计分析,获得包含荷载比、柱高和系数K的结构整体抗火临界温度拟合公式；通过分...     

大长细比约束杆件屈曲后承载力简化计算方法北大核心CSCD

大跨度建筑空间中的火灾属于局部火灾,局部受火的网架结构由于其整体性会产生杆件间的约束效应,实际工程中网架结构的杆件长细比往往大于钢框架柱。目前对于网架结构中的约束杆件屈曲后承载力未见研究报道。根据假定的高温下约束杆件的变形形态建立内外力平衡方程,提出考虑初弯曲的网架结构中轴向约束杆件屈曲后轴力的简化计算方法,得到受火全过程轴力—温度的关系曲线,并发现初弯曲会使得长细比较大的约束杆件的应力增长速率明显减小。通过ABAQUS软件对网架结构中轴向约束杆件受火力学反应全过程进行了数值模拟,本文提出的简化计算方法与数值模拟结果吻合较好,为进一步分析网架杆件屈曲后承载力对整体结构抗火性能的贡献提供了理论依据。     

大长细比约束杆件屈曲后承载力简化计算方法

大跨度建筑空间中的火灾属于局部火灾,局部受火的网架结构由于其整体性会产生杆件间的约束效应,实际工程中网架结构的杆件长细比往往大于钢框架柱。目前对于网架结构中的约束杆件屈曲后承载力未见研究报道。根据假定的高温下约束杆件的变形形态建立内外力平衡方程,提出考虑初弯曲的网架结构中轴向约束杆件屈曲后轴力的简化计算方法,得到受火全过程轴力—温度的关系曲线,并发现初弯曲会使得长细比较大的约束杆件的应力增长速率明显减小。通过ABAQUS软件对网架结构中轴向约束杆件受火力学反应全过程进行了数值模拟,本文提出的简化计算方法与数值模拟结果吻合较好,为进一步分析网架杆件屈曲后承载力对整体结构抗火性能的贡献提供了理论依据。     

火灾下空间混凝土框架结构的反应分析与模拟

根据作者开发并经过试验验证的纤维梁单元模型和分层壳单元模型，通过考虑他们之间的协调关系，建立了考虑楼板的空间混凝土框架结构火灾反应数值模型，并通过作者开发的火灾反应分析系统RCFire，实现了整体结构的火灾反应分析。纤维梁单元模型和分层壳单元模型均通过在截面上进行细分，从而考虑了不均匀温度场及材料非线性的影响。通过对一个具体框架火灾反应的分析，探讨了整体结构火灾反应的规律，为结构设计人员提高建筑结构的火灾安全提供参考。     

基于改进RABT升温曲线分析受火地铁隧道管片温度场

既有耐火试验标准升温曲线用于模拟地铁区间隧道火灾场景存在局限性。提出了改进RABT(IRABT)标准升温曲线模型,该模型基于既有耐火试验标准升温曲线,同时考虑了地铁区间隧道火灾的峰值温度、受火持时与升温速率等特征,且包含线性降温段,可设置降温时点,以描述实际火灾场景。采用结构抗火有限元分析软件SAFIR,对1/3缩尺地铁隧道管片的耐火试验进行了IRABT标准升温曲线下的数值模拟,获得了5种不同火灾工况下管片温度变化及截面温度场分布,所对应的IRABT模型分别为:峰值温度700℃与800℃,降温时刻为60min;峰值温度900℃,降温时刻分别为60、45、30min。模拟结果表明,进入降温阶段后,管片受火面20mm以上区域,温升仍将持续,且距离受火面越远,温升持续时间越长;距离受火面90mm以上至管片顶部,已没有明显降温段出现,该区域始终保持升温趋稳状态。降温开始30min后,受火面温度开始低于紧邻的管片内温度;受火试验结束的180min时刻,整个管片内部温度场峰值出现在距受火面40~60mm范围内。同一升温曲线降温时点越迟,则管片近受火面及顶面区域的最终温度越高。因此,对于实际地铁区间隧道火灾,应尽量在升温初期对火势加以有效控制,避免进入恒温传热阶段,可减轻管片混凝土传热破坏程度。该分析结果可为研究地铁隧道衬砌结构受火性能退化提供参考。     

门式钢刚架结构受火力学反应分析

采用ANSYS有限元分析软件对门式钢刚架结构受火力学反应全过程进行数值模拟,得到门式钢刚架破坏时的临界温度和最不利截面位置,并从结构力学基本理论出发,验证ANSYS数值模拟结果的正确性。研究结果表明,大空间建筑火灾中,影响门式钢刚架结构抗火承载力的控制截面主要是梁柱节点处的梁端截面和梁跨中截面,而且烟气温度场非均匀性将影响结构控制截面的位置,从而影响结构临界温度的变化规律;随着荷载比的减小,临界温度呈升高的趋势;门式钢刚架结构受火破坏模式表明单榀门式钢刚架结构在考虑檩条提供的平面外约束条件下,由于结构冗余度较少,当构件截面发生破坏后,整体结构随即丧失承载力。研究结果可供门式钢刚架结构的抗火设计参考。     

门式钢刚架结构受火力学反应分析北大核心CSCD

采用ANSYS有限元分析软件对门式钢刚架结构受火力学反应全过程进行数值模拟,得到门式钢刚架破坏时的临界温度和最不利截面位置,并从结构力学基本理论出发,验证ANSYS数值模拟结果的正确性。研究结果表明,大空间建筑火灾中,影响门式钢刚架结构抗火承载力的控制截面主要是梁柱节点处的梁端截面和梁跨中截面,而且烟气温度场非均匀性将影响结构控制截面的位置,从而影响结构临界温度的变化规律;随着荷载比的减小,临界温度呈升高的趋势;门式钢刚架结构受火破坏模式表明单榀门式钢刚架结构在考虑檩条提供的平面外约束条件下,由于结构冗余度较少,当构件截面发生破坏后,整体结构随即丧失承载力。研究结果可供门式钢刚架结构的抗火设计参考。     

薄壁钢-轻质混凝土组合楼板的受火后力学性能及评估模型研究

对5块内置钢骨架的轻集料混凝土组合楼板在火灾后的受力性能进行了试验研究,并基于试验结果给出了火灾后组合楼板综合承载力的评估模型。结果表明,该组合楼板在火灾作用后仍具有较高的剩余承载力和整体刚度,其主要影响参数包括轻骨料混凝土预制板中的配筋数量、受火时的荷载分布方式与荷载值以及火灾升温后所采用的冷却方式。受火时组合楼板试件中钢骨架主、次构件正上方的混凝土表面首先出现裂缝,且火灾后加载时进一步发展。火灾下均匀堆载的组合楼板试件的名义刚度较局部堆载的试件刚度提高18.5%;采用人工喷淋冷却方式较之自然冷却,其火灾后组合楼板试件静载试验的残余位移增大23.9%;所建立的综合指标模型可用于评估火灾后组合楼板试件的综合承载力。     

某综合楼钢结构抗火安全设计与评估(Ⅱ)——火灾作用下结构的分析及抗火验算

某综合楼为一高层钢结构建筑。试验及对火灾调查表明,由于构件相互作用及荷载传递路径的改变,整体结构中的构件的抗火性能与抗火试验中的简支梁或柱有很大不同。本文采用基于性能化思想的抗火设计方法,对该综合楼进行了整体分析,考虑了构件之间的相互作用,并结合梁产生悬链线效应后的特点,确定出构件的实际受力。据此进行了构件强度及稳定的验算,提高了构件在火灾作用下的安全性。在楼板的抗火设计中,采用较新的科研成果,考虑了薄膜效应的影响,使一部分次梁免于防火保护,降低了防火成本。     

大型建筑构件在突发性事件中的抗火性能分析

针对地震、恐怖袭击等突发性事件引起的次生火灾对大型建筑的破坏特点,比较了大型建筑与普通建筑在结构抗火性能上的差异;利用轴向非均匀温度应力模型,对大型建筑构件的抗火性能与结构抗火计算进行了分析,疏理归纳出了部分性能特征;提出了一套用于这类火灾特点的构件抗火计算理论方法。     

土与结构接触特性对地下结构地震反应的影响研究

以大开地铁车站为工程背景,采用数值模拟方法,以中柱层间位移角为评价指标,在弹性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹塑性结构接触三种工况下分别计算接触面为绑定、接触面摩擦系数为0.2和0.4时的结构地震反应,同时考虑结构-土体的相对模量对接触特性的影响。提取峰值加速度时刻、峰值位移时刻和峰值速度时刻中结构变形程度最大的时刻,将接触面为摩擦设置时的中柱层间位移角与绑定连接条件下的层间位移角数值进行对比分析。结果表明:当材料力学特性不同时,接触特性对结构反应的影响程度也不同。改变结构的埋深,研究不同围岩约束能力下接触特性对地下结构地震反应的影响,结果表明浅埋时接触特性对地下结构地震反应影响程度较大,深埋时影响程度较小,且对于浅埋结构,峰值加速度时刻为结构地震反应最大时刻,对于深埋结构,峰值位移时刻为结构地震反应最大时刻。     

某大型混合结构中关键构件的力学行为研究

大型结构中关键构件的力学性能对整体结构的安全性影响重大,但其受力状态复杂,目前的试验条件尚难准确模拟复杂构件的边界条件。鉴于整体有限元模型可以近似模拟结构中构件真实的受力状态,利用单元耦合技术,提出了整体结构中关键构件的模拟计算方法,对某大空间竖向混合结构中的关键构件进行了精细模拟,通过整体计算分析了该结构中Y型混合柱、屋盖下弦节点在复杂受力状态下的力学行为,并以模型试验结果和一般数值计算方法验证了该方法的准确性。提出的方法可为复杂构件力学性能的研究提供参考。     

钢结构建筑的消防安全性能化设计——系统方法探析

根据钢结构建筑构件耐火性能的特点，应用建筑防火安全性能化设计系统方法对钢结构建筑发生火灾时热、烟对建筑结构和建筑内人员的影响进行了分析研究，确定了火灾下人员与建筑结构的安全准则。运用FDS4．0对一建筑实例建模，通过模型与建筑实际火灾相似性的计算机数值模拟研究，得出了火灾情况下建筑内的热、烟蔓延情况，同时采用ANSYS8．0分析技术对火灾下钢结构的结构反应进行了研究。以性能化设计系统方法对钢结构建筑发生火灾进行了耐火分析研究，在此基础上给出了定量的分析方法，为钢结构建筑的火灾安全工程设计和应用提供了一种新的技术。