铝合金空间结构抗火性能研究进展

铝合金材料在高温下的力学性能较差,考虑到铝合金结构常用于重要大型空间结构,其抗火性能与人员生命财产安全密切相关,对国内外近年来关于铝合金空间结构抗火性能的研究进行了系统综述与分析。首先,总结了有关铝合金结构高温性能的研究,包括材料的高温性能、构件和节点的高温性能和空间结构的整体抗火性能等。随后,指出了大空间火灾与一般室内火灾的不同,并对比了各种大空间火灾温度场确定方法的优缺点;总结了有关钢结构构件在火灾下温升的确定方法,并强调了火焰辐射在大空间火灾下的重要影响;阐述了有关大空间结构整体抗火性能的研究;介绍了性能化抗火设计思想及其优越性。最后,总结了有待解决的关键问题和需进一步开展的工作。     

高温蠕变对钢柱抗火性能的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显的蠕变变形,从而对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大的影响。目前的结构抗火研究很少考虑蠕变的影响,为了研究高温蠕变对钢柱抗火承载力的影响,引入钢材高温蠕变参数,采用ANSYS有限元程序建立钢柱的抗火分析模型,分析了考虑高温蠕变影响的钢柱抗火性能。采用钢柱的抗火试验数据对有限元模型进行验证,两者吻合较好。利用验证过的有限元模型分析了考虑蠕变效应后钢柱的多个参数对其抗火承载力的影响,并与现行多国规范的钢柱抗火承载力进行了对比。研究表明:考虑蠕变后能更准确地预测钢柱的火灾行为,蠕变对钢柱的抗火性能产生较大的影响。现行规范中钢柱高温承载力的计算结果偏于不安全。     

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。     

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。     

火灾下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接的力学性能

为了研究钢管混凝土框架梁柱半刚性连接的抗火性能,利用ABAQUS软件进行了火灾作用下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接节点的热力耦合性能的数值模拟。确定了高温下钢材和核心混凝土的材料本构关系模型,建立了考虑楼板影响的钢管混凝土框架外伸端板连接节点的有限元计算模型,对三面受火和外荷载共同作用下节点的受力全过程进行了分析。详细分析了荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度、材料特性、构件几何尺寸等参数对节点耐火极限的影响。结果表明,荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度和钢梁截面高度对组合节点耐火极限的影响较显著。该研究结果将为火灾下半刚性钢管混凝土框架的设计理论提供科学依据。     

受火钢框架的落锤冲击响应数值模拟

运用有限元程序ABAQUS进行数值模拟,研究不同温度下受撞击载荷钢框架结构的动力响应和梁柱连接性能,重点考察了三种梁-柱连接形式:即全焊接连接、平齐式端板连接、外伸式端板连接等对钢框架抗冲击性能的影响。对于受火和自重作用的钢框架,比较了梁的跨中挠度和梁柱交点处沿梁方向的位移,以及结构在不同环境温度下的温度场;进而采用温度加载和落锤冲击共同作用,得出结构的梁柱节点破坏模式和钢梁的临界屈曲温度,以及落锤撞击过程中跨中挠度和撞击力的发展。模拟结果表明,外伸式连接框架高温作用下的抗落锤冲击性能最好。     

考虑高温蠕变影响的钢梁抗火性能

钢材在高温和荷载作用下产生明显蠕变变形,影响火灾中钢梁的变形和受力性能。为了定量确定高温蠕变对钢梁抗火承载力的影响,建立了考虑高温蠕变的钢梁有限元分析模型。采用约束钢梁抗火试验数据对模型进行了验证,结果吻合较好。进而采用该模型对钢梁在火灾下的承载力进行了分析,得到了钢梁的抗火承载力与温度和时间的关系,并提出了钢梁高温承载力实用计算方法。研究表明:钢材的高温蠕变对钢梁抗火性能具有较大影响;钢梁在高温下承载力随时间变化十分显著;对耐火极限要求较低的钢梁,传统的高温承载力计算方法偏于保守;而对耐火极限要求较高的钢梁,传统的高温承载力计算方法偏于不安全。     

某钢结构物流中心火灾案例及结构抗火分析

2011年3月,某钢结构物流中心发生火灾,过火面积约7000m2,损失惨重。通过对该例火灾的起因、火势蔓延、结构倒塌进行分析,探讨钢结构建筑防火设计和结构抗火措施。研究结果表明:①钢结构因本身抗火性能差,易垮塌,不利于火灾扑救;②在火灾中钢结构易整体破坏,造成重大损失;③由于未采取防火分隔,扩大了火灾蔓延途径和过火面积,加剧了火灾损失,也加大了火灾扑救难度。为了减轻火灾损失,应当:①合理设置防火分隔;②提高或保证钢柱、钢梁的耐火极限,以提升结构抗火能力;③加强对钢构件和结点的防火保护;④保证自动喷水灭火系统的正常运行,有效实施初期灭火。     

单边螺栓T型节点火灾高温下抗拉性能

通过有限元方法研究了单边螺栓T型节点在火灾高温下的拉伸性能。用常温下节点拉伸试验对有限元模型进行了验证,结果表明该有限元模型可准确模拟单边螺栓T型节点的拉伸性能。采用恒温加载的方式,研究了T型构件翼缘板厚度和火灾高温对节点抗拉性能的影响。T型翼缘板厚度分别取6、18、27mm,温度分别取常温至800℃共8种不同温度,并且通过改变材性考虑不同温度对钢材强度和刚度的折减。将不同T型翼缘板厚度和温度下节点的破坏模式、抗拉强度及刚度进行比较,得出了翼缘厚度和温度对其抗拉性能的影响,进而得出该单边螺栓T型节点在火灾作用下的拉伸性能。研究结果表明,该单边螺栓连接方式,在火灾下可以提供足够的锚固力,适用于闭合截面钢构件,如钢梁和钢管柱之间的连接。     

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。