火灾下钢筋混凝土梁热力学性能数值模拟分析*

为了研究火灾下钢筋混凝土（RC）简支梁的热力学性能,建立火灾高温下RC梁的数值分析模型,与火灾试验对比验证模型的有效性;分别对4根完全相同的RC梁进行不同受火试验,研究受火时间、混凝土高温爆裂及钢筋-混凝土黏结高温退化对RC梁截面温度场分布、钢筋应力与滑移量分布、残余抗弯承载力的影响规律。研究结果表明:截面温度梯度随受火时间增长而扩大,底部角筋比其他纵筋升温均快;混凝土爆裂对直接受火面10 mm厚度范围内温度影响较为显著,角筋升温速率随受火时间增长而增大;底部纵筋应力随受火时间增长而下降,中筋的应力高于角筋;钢混界面滑移量随受火时间增长而增大,底部中筋的滑移量小于角筋;残余抗弯承载力随受火时间增长而线性减小;爆裂深度对残余抗弯承载力的影响程度要高于爆裂面积,跨中1/5跨长位置爆裂对残余抗弯承载力影响最大。     

钢筋混凝土矩形梁在实际火灾下正截面承载力数值计算

为了正确评估钢筋混凝土矩形梁在实际火灾条件下的承载力,以一般室内火灾轰燃后的房间平均温度-时间曲线为火作用,以建筑结构耐火理论为基础,采用数值计算方法研究钢筋混凝土矩形梁的正截面承载力.研究结果表明:梁的承载力随火灾房间温度升高而变小,在温度达到最大值后承载力达到最小值.火灾房间火灾荷载越大,开口因子越小,火作用越大,梁的最小承载力越小;反之相反.相同条件下梁支座截面的承载力要大于跨中截面.     

钢筋混凝土梁桥火灾高温安全评价

综合考虑火灾高温下影响钢筋混凝土结构性能的参数,利用数值模拟程序分析火灾高温下钢筋混凝土矩形截面梁的温度分布,研究了保护层厚度对ISO 834标准火灾升温过程中钢筋混凝土矩形截面梁极限弯矩的时变效应规律.在此基础上,建立了钢筋混凝土梁桥火灾高温安全评价模型,提供了相应的计算方法,分析了不同温度下钢筋和混凝土的弹性模量损伤度及强度损伤度,对火灾高温下不同时间钢筋混凝土梁桥安全指标实现了量化归类.结果表明:在火灾高温作用下混凝土弹性模量比其相应强度更容易损伤,损伤速率大;火灾时间和保护层厚度对钢筋混凝土梁极限弯矩和安全等级有较大影响;火灾高温超过40 min后,梁的极限弯矩直线下降,100 min左右,可达严重损伤;钢筋混凝土梁极限弯矩随保护层厚度的增加呈线性递增关系;提高混凝土保护层厚度,可有效提高火灾场钢筋混凝土梁的耐火极限和安全等级.     

钢筋混凝土柱温度场试验研究

研究钢筋混凝土柱在升温、降温加热曲线作用下的截面温度场分布。完成了1根边长700mm方形钢筋混凝土柱的四面受火温度场试验,加热曲线升温段为ISO-834标准升温曲线,降温段为随炉冷却降温曲线。试验过程中测得了柱截面内不同位置的温度变化。建立有限元模型对试验结果进行了模拟分析。结果表明:方形柱截面内不同位置的升温速率、降温速率受其距受火面距离影响较大;截面内距离受火面越远的位置,升温滞后现象越明显;在ISO-834标准升温和随炉降温加热曲线作用下,当方形柱的截面边长大于等于700mm时,柱截面内的温度分布可反映大截面尺寸钢筋混凝土柱在火灾升、降温阶段的温度分布变化。     

轴向与截面非均匀温度场对某固支钢梁最大挠度的影响

目前钢构件火灾响应特性的数值模拟分析一般假设温度场轴向均匀分布,但大空间真实火灾环境下,火源位置的变化往往会导致温度场轴向和截面的非均匀。采用ANSYS有限元分析软件,对某12m长固支钢梁在三面受火情况下的最大挠度进行分析,首先假设温度场轴向非均匀分布,在此基础上进一步假设截面方向也存在非均匀分布,并与轴向均匀温度场下钢梁的最大挠度进行比较。在该文研究条件下可得如下结果：钢梁在轴向非均匀温度场下最大挠度较小,耐火时间增长;对于温度场轴向非均匀分布,截面同时非均匀分布时钢梁最大挠度较大;当温度场轴向非均匀、截面均匀时,火源位置从端部到中间,钢梁最大挠度逐渐减小,在距端部1/4处最大挠度有突增。     

不同升温条件下钢梁火灾行为的有限元分析

采用有限元法对H型简支钢梁在火灾下的热、结构响应进行模拟,得到了瞬态温度场分布,挠度、轴向变形随温度变化的曲线,构件的耐火时间和耐火温度以及屈曲破坏形态,并与试验结果进行了比较;分析了不同升温条件下钢梁的温度场分布和变形规律;研究了升温速率对钢梁火灾性能的影响.结果表明:火灾升温速率不同时,梁截面呈现出不同的非线性温度梯度;升温速率小,截面温度梯度小,耐火时间长,梁变形主要为热膨胀;升温速率大,环境温度高,截面温差大,耐火温度高,屈曲破坏时能承受的挠度也大,但耐火时间短,梁变形为热膨胀和热弯曲的组合.     

不同升温条件TN梁火灾行为的有限元分析

采用有限元法对H型简支钢梁在火灾下的热、结构响应进行模拟，得到了瞬态温度场分布，挠度、轴向变形随温度变化的曲线，构件的耐火时间和耐火温度以及屈曲破坏形态，并与试验结果进行了比较；分析了不同升温条件下钢梁的温度场分布和变形规律；研究了升温速率对钢梁火灾性能的影响。结果表明：火灾升温速率不同时，梁截面呈现出不同的非线性温度梯度；升温速率小，截面温度梯度小，耐火时间长，梁变形主要为热膨胀；升温速率大，环境温度高，截面温差大，耐火温度高，屈曲破坏时能承受的挠度也大，但耐火时间短，梁变形为热膨胀和热弯曲的组合。     

交叠型群洞车站站厅火灾排烟口相对位置排烟效果影响分析

以青岛某地铁车站为研究对象,研究火灾工况下风口相对风管位置设置和风口尺寸对地铁站厅层火灾烟气流动的影响,通过对不同时刻人眼高度处的温度值、CO浓度值、可见度数值的分析发现:风口位置位于风管上部效果要优于侧部和下部;通风量一定时,不同风口面积对烟气流动影响较小。     

尾矿砂绿色混凝土梁受剪性能试验研究

利用不同尾矿砂取代率的混凝土梁斜截面受剪性能进行试验研究,结果表明:尾矿砂绿色混凝土梁与普通混凝土梁的受力破坏形态相似,在相同荷载下,尾矿砂绿色混凝土梁的箍筋应变大于普通混凝土梁,跨中挠度随着剪跨比的增大而增大;从开裂荷载来看,40%替代率的尾矿砂绿色混凝土梁抗裂性能最好,极限承载能力最高。并根据试验结果建立了较为合理的尾矿砂绿色混凝土梁斜截面受剪承载力计算公式。     

喷淋和排烟系统对地铁站台火灾的影响研究

采用火灾动力学软件FDS对沈阳某二层岛式地铁站站台火灾场景进行模拟,分析站台不同位置发生火灾以及由喷淋和排烟系统组合成不同工况时,站台内不同高度处温度、CO浓度和热辐射的变化,为地铁站防火措施和人员疏散方案提供参考。结果表明:不同位置发生火灾时,站台内的火灾烟气运动规律不同,端部火灾的影响范围较中部火灾的小;站台顶棚处的温度比2 m高度处的高,CO浓度比2 m高度处的大;距火源5 m内,顶棚的热通量比2 m高度处的低,但距火源5 m外,顶棚的热通量比2 m高度处的高。开启喷淋或排烟系统都可降低站台温度,喷淋系统主要降低火源周围温度,排烟系统可有效降低CO浓度并改善能见度;喷淋和排烟系统还可以降低火灾发生时站台顶棚处的热通量。     

基于混凝土循环剥落的隧道火灾损伤数值模型研究

为研究混凝土高温剥落对隧道衬砌火灾损伤的影响，在现有隧道结构非线性瞬态热—力耦合有限元模型基础上，提出1种在火灾高温条件下混凝土发生剥落的循环算法，以模拟火灾下衬砌结构截面面积的损失，并引入混凝土临界剥落温度的概念，得出基于混凝土循环剥落的隧道衬砌火灾损伤数值模型建立流程。利用该模型对某隧道衬砌结构进行火灾损伤模拟，并与试验结果进行对比验证。结果表明:火灾下隧道混凝土衬砌结构内逐渐增大的热应力是导致普通混凝土高温剥落的主要原因；可将衬砌受火面是否达到临界剥落温度作为隧道发生高温剥落的充分条件进行火灾损伤分析；模型求解所得的数值模拟结果与现场火灾试验数据基本吻合，验证了其可行性；混凝土高温剥落与否对衬砌结构等效温度应力有较大影响，在隧道衬砌结构抗火性能分析过程中应尽量考虑混凝土高温剥落造成的影响。     

带肋薄壁方钢管混凝土柱温度场试验研究与分析

为研究带肋薄壁钢管混凝土柱在火灾下的温度分布,进行3根足尺带肋薄壁方钢管混凝土柱升温试验。建立方钢管混凝土柱温度场有限元模型,模型计算结果与实验结果符合较好。利用模型分析了典型的温度场分布规律,并研究了各参数对构件温度场的影响规律。结果表明:构件截面温度场在四面受火状态下呈双轴对称分布,且角部温度较高。加劲肋对构件温度场的影响仅限于焊接点附近,加劲肋间距和含钢率对构件整体温度场影响微小;截面边长、受火时间和受火方式是影响构件温度场的主要因素。     

大跨度偏压隧道受火损伤分析

为探明火灾对大跨度偏压隧道造成的不利影响，依托贵州省某公路隧道工程，基于ANSYS有限元软件分析不同埋深及偏压条件下大跨度隧道结构的最大损伤和相对温度损伤变化规律，并对其温度场分布和应力分布规律进行总结。结果表明:衬砌高温损伤约60 mm，温度影响深度约300 mm，内部温升过程逐渐由曲线变化转变为直线变化；最大损伤深度随偏压角度增加近似呈指数增长变化，而相对温度损伤略有减小，当偏压角度较大时，火灾将成为隧道破坏的诱导因素而非直接因素；最大损伤深度与偏压隧道埋深近似呈抛物线变化，火灾对偏压隧道影响显著，必须采取有效预防措施；随着受火时间的增加，临火侧衬砌混凝土在热膨胀及围岩约束作用下，压应力快速增加，存在较大的压溃风险。     

隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延影响机制研究

为探索隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延的影响机制，采用FDS数值模拟，研究横通道与隧道不同交叉角情况下火灾烟气温度、浓度、烟气层高度等的变化规律，建立开启火源下风向横通道时隧道内烟气最高温度修正公式，提出烟气纵向蔓延恢复长度的概念，并探讨其影响规律。 结果表明:隧道和横通道交叉角越小，隧道内同一位置烟气层高度越高，当交叉角由90°降低到30°时，烟气层高度最大增加32%；烟气纵向蔓延恢复长度与交叉角及通风速率呈正相关，而与火源功率几乎无关。研究结果对隧道通风排烟系统设计及相关标准的制定具有参考意义。     

隧道内偏置火源顶棚近壁面温度边界层效应研究

基于隧道火灾不同横向火源位置的非对称卷吸影响,通过模拟计算分析了中心火源和偏置火源产生的烟气沿纵向最大温升变化规律,研究了顶棚下方近壁面区域内的不同温度分布,提出偏置火源纵向空间最大顶棚温升公式。结果表明:在壁面黏性作用下,沿纵向蔓延的烟气最高温度在顶棚下方呈现“温度边界层”分布;随着火源位置的偏移,下游出现偏置距离起主导作用影响温度衰减的区域,衰减速度相较于中心火源逐渐降低;火源下游近壁面最高温度位置逐渐远离顶棚后趋于稳定。研究结果对于排烟方式的设计以及空间通风效果的提升有着重要意义。     

异形阻燃木-混凝土组合梁耐火特性实验*

为提高纯木梁的耐火性能,提出异形阻燃木-混凝土组合梁提高耐火性能的方法。通过实验研究对比Π形、T形的异形阻燃木-混凝土组合梁与全混凝土梁受火特性和剩余承载力。研究结果表明:3面受火后,异形阻燃木-混凝土组合梁上部多数区域未达强度降低起始温度,全混凝土梁均超过强度降低起始温度,且受火温度远远高于木-混凝土组合梁;T形阻燃木-混凝土组合梁试件剩余承载力最大,耐火能力最强,Π形阻燃木-混凝土组合梁次之,全混凝土梁最差;异形阻燃木-混凝土组合梁受火后损坏情况轻于全混凝土梁,但产烟量大于全混凝土梁。     

受火后方钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱力学分析

利用ABAQUS软件建立了火灾后方钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱非线性有限元模型,在确定混凝土和钢材的本构基础上,对其火灾后轴压性能进行了数值计算,并与已有相关试验数据进行了对比验证。分析了升温时间、基体混凝土强度、再生粗集料取代率、截面尺寸、含钢率等参数对火灾后轴压性能的影响规律。结果表明:随着升温时间的增加,试件截面角部对中心区域的约束效果逐渐减弱,截面应力逐渐降低且分布趋向均匀;基体混凝土强度和截面直径是影响试件剩余承载力和初始损伤的主要因素,集料取代率和含钢率影响较小,所有试件的损伤发展过程较为相似;各试件的耗能能力随升温时间的增加呈现先提高后降低的趋势;提出了此类试件火灾后相关评价指标的简化计算公式,可为工程实际应用提供参考。     

基于红外热成像技术烃类火灾下沉管隧道开裂分析*

为了研究烃类火灾下沉管隧道的开裂深度,建造沉管隧道缩尺模型,采用HCinc升温曲线在沉管隧道左、右两侧孔内同时开展明火试验。在沉管隧道火灾试验过程中,利用热电偶和红外热像仪测量沉管隧道的温度场变化,利用红外热像仪对混凝土裂缝位置的温度变化进行监测。基于混凝土内水分迁移原理,结合混凝土裂缝中水和水蒸气的温度变化及混凝土内温度场分布,推断出在点火95 min时,混凝土裂缝开展深度超过150 mm。研究结果表明:在沉管隧道内部发生火灾的情况下,受火侧受热膨胀容易导致沉管隧道外侧混凝土受拉开裂,在沉管隧道抗火设计中,建议考虑内外侧温差导致的混凝土开裂问题。     

截面温度非均匀的防火装饰一体化钢梁的抗火性能分析

基于ANSYS软件建立了细石混凝土半填充、细石混凝土全填充和加气混凝土砌块填充三种防火构造的分析模型,探究了截面温度非均匀分布对防火装饰一体化钢梁的温度场和剩余承载力的影响,分析了钢梁上下翼缘及腹板参数对构件抗火性能的影响。结果表明,翼缘宽度的增大会明显降低钢梁的剩余承载力,翼缘厚度的增加会导致钢梁承载力略有下降,钢梁高度的变化对剩余承载力影响不大。给出了防火装饰一体化钢梁剩余承载力的简化计算公式,公式计算结果与有限元结果吻合情况较好。