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。     

煤层露头火区上覆岩层热破坏力学特性试验研究

为了研究温度载荷作用下煤层露头火区上覆岩层受热破坏特性,揭示上覆岩层的强度和变形特征随温度的变化规律。采用MTS8 15.02电液伺服岩石力学试验系统和NM-4A型非金属超声检测分析仪,对岩样进行了25~600℃加温加载试验。试验得出了不同温度条件下岩样受热破坏特征和纵波波速变化规律。结果表明,随温度升高,岩样纵波波速逐渐减小,600℃时砂岩X、Y、Z 3个方向的纵波波速下降了48.54%。高温对岩样的强度有一定的弱化作用,其峰值应力随温度升高而降低,600℃时岩样强度降幅达47.1%。岩样的峰值应变随温度升高而逐渐增大,400℃时峰值应变增大了55.6%,600℃时峰值应变增大了60.9%。随温度升高,砂岩的弹性模量、变形模量均减小,400℃时弹性模量降幅达13.5%,600℃时弹性模量降幅达59.6%。这表明在大面积高温火区的作用下,煤层露头火区上覆岩层产生大量漏风裂隙,热风压增大,致使高温煤体上部空气通过裂隙发生自然对流,从而维持煤体附近一定浓度的氧气。     

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.     

有约束应力高温全过程后混凝土轴压力学性能试验研究

采用高温抗压试验炉进行了有约束应力作用下混凝土在经历升温、降温及冷却全过程作用后的轴压力学性能试验研究,主要研究约束应力水平和温度等级对升降温及冷却全过程中的混凝土高温变形特性与高温后混凝土强度、弹性模量和应力-应变关系等性能的影响规律。结果表明:约束应力使混凝土产生明显的残余压缩变形,且对高温后混凝土抗压强度和弹性模量有显著影响;无约束应力高温后混凝土的抗压强度随着温度的升高经历低温衰退、强度恢复、高温衰退3个阶段,n≤0.4时有约束应力混凝土也表现出相同的规律;约束应力可提高高温后混凝土的弹性模量,但其值仍明显低于常温弹性模量;有约束应力高温全过程后混凝土破坏突然,明显变脆。     

高温后不同类型混凝土力学性能试验研究

对高温后C40和G50普通混凝土以及C80高性能混凝土的力学性能进行了试验研究,描述了试验现象,探讨了火灾温度、恒温时间、试件尺寸、冷却方式和混凝土类型等因素对高温后混凝土力学性能的影响,提出了高温后不同类型混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变等经验计算公式和高温后混凝土轴压应力-应变关系曲线表达式.试验研究表明,随着火灾温度的升高和恒温时间的增加,高温后混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等整体上呈降低趋势,而峰值应变逐渐增加;在火灾温度、恒温时间恒定时,试件尺寸越大越不利,喷水冷却不如自然冷却,高性能混凝土不如普通混凝土.     

温度变化对煤系砂质泥岩三轴压缩力学特性的影响

为分析温度对煤系砂质泥岩力学参数的影响,利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱,对煤系砂质泥岩在25~55℃下三轴压缩试验的力学特性进行了研究。结果表明,在试验温度范围内不同温度下煤系砂质泥岩的力学特性有一定程度的差异。随温度升高,峰值应力整体上呈降低趋势;峰值应变在20~40℃逐渐增大,在40~55℃减小;弹性模量随温度升高,在20~35℃逐渐减小,在35~55℃逐渐增大;变形模量随温度升高,在20~45℃逐渐减小,在45~55℃逐渐增大。     

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:     

分段变速加载对含瓦斯突出煤力学特性影响试验研究

为探究采动应力变化对含瓦斯突出煤力学特性的影响，利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统，对新景矿含瓦斯突出煤进行了不同围压和瓦斯压力下的常规三轴和分段变速加载力学试验。结果表明:煤样在2种应力路径下的全应力应变曲线均可分为压密、线弹性、塑性变形、应力跌落和残余应力5个阶段；随着围压的升高或者瓦斯压力的降低，煤体在2种应力路径下的强度和弹性模量均增大；相较于常规三轴，煤体在分段变速加载路径下的强度普遍增大，峰值轴向应变、峰值环向应变绝对值和峰值体积应变绝对值也普遍增大，失稳破坏瞬间应力跌落和能量释放更加剧烈。Mohr-Coulomb强度准则仍然适用于分段变速加载条件下的含瓦斯突出煤，该研究对于认识煤与瓦斯突出的发生机制具有一定的指导意义。     

基于不同强度等级混凝土的动力学特性研究

基于TAW-2000D电液伺服岩石三轴仪和直径75 mm的霍普金森压杆试验装置,得到了C25,C35和C45混凝土在静、动载荷作用下的应力-应变曲线,探讨了混凝土强度等级、动态峰值强度、峰值应变和应变率之间的变化规律。结果表明:混凝土准静态应力-应变曲线和动态应力-应变曲线在形态上存在明显差异,动态应力-应变曲线的峰值点随应变率的增大向右上方移动,线弹性阶段各曲线斜率变化不明显;动态峰值应力、动态弹性模量和峰值应变均存在不同程度的率相关性,并且混凝土材料的应变率敏感性随其强度等级的提高而增强;混凝土C45的各力学指标对应变率的敏感性最强,C35次之,C25的应变率敏感性最弱;推导了应变率与强度等级和冲击速率之间的经验公式,三者之间存在非线性变化规律。     

基于FLAC3D的复合煤岩受载破裂数值模拟及试验研究

采用FLAC~(3D)对复合煤岩模型的单轴压缩破裂进行数值模拟及试验,研究复合煤岩受载破裂应力与应变关系变化规律。针对煤样厚度、复合煤岩组合比、煤层参数、顶底板岩性等参数,对复合煤岩模型进行加载仿真研究,仿真及试验结果表明:单一煤样模型随着高度的减小,应力应变曲线整体阶段存在尺寸效应;改变煤岩组合比例时,其抗压强度基本不变,随煤样比例增大,复合煤岩的整体弹性模量减小,整体刚度减小;单一改变复合煤岩的煤样参数时,随煤样弹性模量增大,复合煤岩的弹性模量越强,应力应变曲线峰值点越高,对应应变越小;单一改变顶底板岩性,对复合煤岩模型的应力应变曲线影响不大。试验结果和仿真结果变化趋势一致,表明所建模型具有一定正确性和适用性。     

钢网壳抗火非线性有限元分析

通过两种方式研究钢网壳的抗火性能,其一是对火的分析及单个构件的抗火力学性能分析;其二是对钢网壳结构进行抗火分析,以结构具有一定的抗火时间为标准,通过模拟预测实际火灾特性和结构的非线性有限元分析,求得直到倒塌时的结构抗火全过程响应,从而确定结构的抗火性能及临界温度。并通过一个实际的算例进行了结构的倒塌分析,得到了一些结论,从而对其实际抗火能力有一个理性的了解和认识,为经济、科学的结构综合防火设计提供理论依据。     

温升速率对某防火保护简支钢梁耐火时间的影响

在钢结构抗火研究中通常基于标准温升曲线分析钢构件的火灾响应特性,采用更接近实际火灾场景的BFD自然温升曲线,运用有限元分析软件ANSYS研究了不同火灾温升速率对某防火保护简支钢梁耐火时间的影响,并与经验公式法进行比较。结果表明:有限元分析结果与经验公式法的计算结果基本一致;不同温升速率会导致钢梁温度场变化的差异性,进而影响钢梁的耐火时间;在快速温升时,荷载大小对钢梁耐火时间的影响较大;当荷载较大时,钢梁耐火温度降低,快速温升下钢梁耐火时间较短。     

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。     

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.     

建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究

首先有针对性地对当前国内外建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究背景做了较系统分析,接着,通过有限元程序,对当前应用非常广泛的半刚接门式刚架建筑在火灾高温下的受力性能进行了整体结构非线性分析。计算结果表明：随着温度的升高,钢构件节点的刚度不断下降,当节点的刚度下降到不能约束与其连接的梁柱构件时,结构将发生突然坍塌性...     

钢结构耐火设计的当量时间

通过给出了一个比国外同类公式离散性更小的当量时间计算公式,从而把各种实际情况下的钢结构耐火设计统一到标准升温条件之下。     

受火方式和防火层对梁柱全焊节点抗火性能影响分析

梁柱节点作为钢结构的重要组成部分,在火灾下极易遭到破坏。全焊节点具有较好的塑性变形能力,且抗震性能较好,在高烈度地震地区广泛应用。采用有限元法对梁柱全焊节点抗火性能进行数值模拟,研究不同受火方式下全焊节点的力学行为,揭示不同受火方式时梁柱各节点处温度变化规律,并对比分析有无防火层对全焊节点温度的影响规律。研究结果表明:不同受火方式对全焊节点温度影响较大。节点全部受火时节点各处温度变化曲线基本接近,结构各部位温差较小,整体处于高温状态;梁柱两面受火时受火面温度马上升高,远离受火位置的节点温度升高缓慢,节点各处温差较大。将节点全部受火与不受火进行对比发现,节点全部受火时节点各处应力明显大于不受火情况,温度升高使节点承载能力下降。在柱内壁和梁下侧施加防火层,升温最快的是防火层区域,且有防火层区域节点温度整体低于无防火层节点,对节点施加防火层可以有效降低整体结构升温。     

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。     

L型钢管混凝土芯柱耐火极限研究

火灾高温对结构安全有显著影响,为研究等肢L形钢管混凝土芯柱的耐火极限及其影响因素,利用ABAQUS软件建立合理的高温反应分析模型,在验证模型可靠性基础上,分析了荷载比、截面边长、长细比、荷载偏心率、含钢率等对L形钢管混凝土芯柱耐火极限的影响。研究结果表明:在一定参数范围内,荷载比和截面边长是构件耐火极限的主要影响参数,荷载比越小,截面边长越大,构件的耐火极限越高;长细比和荷载偏心率对其影响较大,长细比和荷载偏心率越小,构件的耐火极限越高;含钢率对其影响不显著。结果可为异形钢管混凝土芯柱的抗火安全设计提供参考。