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。     

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。     

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。     

整体结构混合火灾试验原理及数值仿真分析

火灾下建筑结构的力学分析分为2个层次:1受火作用的结构基本构件的力学分析,如受火梁、柱、楼板分析;2受火构件力学状态的变化对整体结构影响的力学分析,如火灾下建筑结构的连续性倒塌分析。为考察整体结构在火灾下的力学反应,Mostafaei提出了混合火灾试验方法,即对原结构部分构件进行耐火试验,剩余子结构则采用数值分析。通过构件火灾试验与子结构数值模型间的数据交互反馈,模拟整体结构火灾下的力学反应,进而避免直接进行大型结构整体火灾试验。理论上,如果受火构件与无该构件的子结构模型,在任意火灾时刻时的内力、位移均相等,则该结果与整体结构实际火灾下的反应相同。但实际上,由于无法保持任意时刻受火构件与子结构模型的荷载、位移一致,混合火灾试验简化为每间隔时间Δt或温度ΔT对这些参量进行一次同步。给出了构件试验和子结构数值模型间的数据交换路径,并以基本构件的数值试验代替真实火灾试验,通过混合火灾数值试验与子结构模型的交互分析结果,验证了混合火灾试验方法的准确性。     

钢框架足尺结构火灾试验方案研究

钢框架足尺结构(即与实际工作中通常使用的结构尺寸相同的结构)火灾试验在国内尚属首次。着重介绍了试验施加荷载的确定、数据测量和钢框架的吊装计算,得出了进行钢框架主尺结构火灾试验的一些基本经验:采用钢结构构件实用抗火计算方法,对目标高温下框架中柱和边柱分别进行承载力计算,在和常温下各自的0.3倍的承载极限值进行综合比较后,确定钢框架柱轴向的施加荷载值;热电偶测温技术具有精度高和使用简便的优点,可用于火灾试验温度的测量;火灾试验中应变的测量无法正常进行,可转化成对关键部位位移的测量;足尺结构的吊装在对其简化的计算模型进行危险截面的强度验算以及对整个试件进行必要的挠度计算后方可进行。     

基于数值模拟的多高层钢结构火灾反应规律与破坏机理

为了分析火灾下多高层钢结构的破坏机理,考察多高层钢结构在火灾下的反应规律,基于ABAQUS建立了整体钢结构的火灾反应数值模型,对不同层数的钢结构以及相同结构不同火场位置的钢结构进行了数值模拟分析,计算了局部火灾条件下钢结构的变形与破坏过程,分析了钢结构在火灾和荷载共同作用下的破坏机理,探讨了局部火灾对整体结构的影响范围与因素,给出了钢结构在高度和荷载变化时的破坏规律并分析了引起这种破坏规律的原因。     

基于OpenSees的火灾下钢结构连续性倒塌分析

主要研究了火灾下平面钢框架的连续性倒塌模式和机制。应用OpenSees软件,对某5跨8层平面钢框架结构模型进行数值分析,研究了荷载比、梁柱刚度比和火灾场景对结构倒塌模式的影响。结果表明,随着荷载比的增大,结构倒塌模式由侧向倾倒式倒塌变为整体下沉式倒塌;当梁柱刚度比较小时,由于梁的悬链性效应,使结构发生偏向受火开间的侧向位移直至倒塌(弱梁机制),当梁的刚度比较大时,破坏首先发生在框架底层柱,结构呈整体下沉式倒塌(强梁机制);火灾中水平和竖向分布易分别引起结构局部和整体的倒塌。     

钢结构梁柱节点抗火性能研究进展与展望∗

钢结构不耐火,在一定程度上制约了钢结构的应用和发展。为了探明钢结构在火灾下的工作性能,对钢结构基本构件的抗火性能进行了大量研究,提出了相应的设计理论与方法。梁柱节点是钢结构中十分关键的部位,在火灾下的可靠连接是保证钢结构火灾安全的重要前提。为了全面了解钢结构梁柱节点在火灾下的受力性能和破坏机理,从试验研究、有限元模拟和组件分析法三个方面系统地梳理了国内外关于节点抗火性能的研究进展。比较了高温下不同类型节点的力学性能,探讨了多种关键参数对节点在火灾下工作性能的影响规律,介绍了不同类型节点的高温组件分析模型以及弯矩―转角曲线数学模型。分析表明:节点构造形式对钢框架火灾安全有较大影响;通过设置柱腹板加劲肋、提高螺栓强度等级以及增加连接件的厚度等可以有效地提高节点的抗火性能。最后剖析了钢结构梁柱节点抗火研究中存在的不足,对未来值得关注和重视的关键问题提出展望。     

钢框架厂房火灾后的破坏形态

端部约束不同的构件在火灾中的破坏形态不同,研究整体结构构件在火灾中的破坏形态,可以为钢结构抗火研究与设计提供依据。某钢结构框架厂房发生火灾,大火历时3个多小时,火场最高温度达1000°C以上。火灾后,框架梁均有不同程度的破坏,钢梁端部下翼缘屈曲破坏较普遍;由于钢梁顶没有设置抗剪键,钢梁与顶部的混凝土现浇楼板脱开,火灾后残留有较大的挠屈变形;钢柱在火灾后未有明显的破坏现象,但有侧向变形产生。这些现象与实验室中标准试验的结果不同。     

单层带支撑异形柱框架的高温性能研究

针对单层异形柱框架,通过高温数值分析,考察了支撑设置和受火位置对结构高温变形及内力的影响。研究结果表明:对于单层多跨异形柱框架,当只有一端有支撑跨时,会在一定程度上增大另一端的边节点水平位移和边柱侧向变形,对结构整体抗火不利;当左、右两端均有支撑跨时,非支撑跨在火灾作用下的梁轴力比很大,升温后期可能因梁跨中竖向位移急剧增大而发生破坏。基于上述研究结果,给出了4类单层带支撑异形柱框架火灾行为的初步判定方法。     

基于纤维模型的钢框架连续倒塌抗力机制分析

利用基于纤维模型的梁柱单元建立了框架结构的连续倒塌分析模型。基于Pushdown分析方法,开展了不同破坏工况下的连续倒塌分析,研究局部破坏后剩余结构的连续倒塌抗力机制。分析结果表明,破坏位置不同,剩余结构的抗倒塌机制也不同。在中柱破坏的工况下,剩余结构具备由抗弯机制与悬链线机制提供的抗倒塌承载能力,并且在失效跨内仅有底部第1、第2层梁演化出悬链线效应机制并提供竖向抗倒塌承载力,其余梁体在抗弯机制失效后,未演化出悬链线效应机制。在边柱破坏的工况下,剩余结构仅具备由抗弯机制提供的抗倒塌承载能力,失效跨内梁体均未演化出悬链线效应机制。     

震后火作用下多层钢框架基于火灾荷载密度的易损性分析∗

与地震易损性相比 ,结构震后火的易损性研究尚未深入 。 以三层三跨平面钢框架为研究对象 ,采用 ABAQUS 进行建模,选取火灾荷载密度作为火灾强度指标,同时将耐火极限作为破坏状态指标,采取拉丁超立方法生成了 50 个结构样本,对钢框架进行震后火作用下耐火极限分析和易损性分析,并给出了不同损伤程度的四种破坏状态。研究结果表明：震后火作用下钢框架失效概率随火灾荷载密度的升高而增加;当火灾荷载密度达到最大值时,大震下钢框架发生轻微破坏、中等破坏和严重破坏的概率较高,出现倒塌破坏的概率相对较低;对比三水准地震设防烈度下火灾易损性曲线,随着地震烈度的升高,钢框架发生严重破坏和倒塌破坏的概率也随之增大。     

钢筋混凝土结构抗火研究进展与趋势

火灾高温对钢筋混凝土结构材性有显著影响，极易造成结构损伤、破坏甚至倒塌。在大量阅读国内外文献的基础上，从建筑火灾发展过程研究、钢筋混凝土结构在火灾中的行为研究、钢筋混凝土结构抗火设计方法的研究、火灾后钢筋混凝土结构的损伤评估和加固方法的研究等4个方面对钢筋混凝土结构抗火研究进行了论述；总结了目前国内外钢筋混凝土结构抗火研究的主要进展及成果；指出了结构抗火研究尚存在的一些问题；最后，对结构抗火研究趋势进行了展望。     

不同火灾下建筑常用防火板材隔热性能试验研究∗

利用防火板材防护钢构件是钢结构防火的重要措施之一,而防火板材的隔热性能决定了钢结构的耐火性能, 为了研究建筑领域常用防火板材隔热性能,以及防火板材受火破坏形态和隔热性能随温度变化的规律,设计制作了 14 个防火板隔热性能试件,在三种火灾工况下对建筑领域常用防火板材进行隔热性能试验。研究结果表明：(1) 板材受火后的破坏形态和裂纹开展情况都与火灾升温历史有关;(2)板材受热过程中分解的结合水蒸发吸热是缓解钢板升温的重要影响因素之一;(3)用 ISO 834 标准升温下板材温度平台区域的 λ 取值结果来指导其他两种火灾情形下防火构造设计是安全的;(4)利用板材表面空气温度和钢板温度测试结果获得了板材导热系数,数值模拟计算与试验结果吻合良好,验证了采用导热系数测量方法的可靠性;(5)利用数值模拟与试验相结合的方法,分析得到石膏板的温度?等效导热系数简化曲线的两个重要敏感参数：热质传递影响温度区间等效导热系数结束变化的温度点(470 ℃)和该温度区间的等效导热系数波谷极值大小。     

方钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能研究

建立了局部火灾下多层多跨矩形钢管混凝土柱-钢梁平面框架温度场和力学性能分析的有限元模型。在考虑楼板影响的基础上,研究了保护层厚度不同时钢管混凝土框架结构的温度场分布规律。研究了不同受火工况条件下钢管混凝土框架结构的变形和破坏规律、耐火极限状态、受火梁的内力状态以及结构耐火极限的规律。分析表明,梁保护层厚度影响钢梁温度分布形式;火灾下,框架结构发生了受火梁的整体屈曲破坏。     

预制空心板受火后力学性能的试验研究

为比较不同受火时间后预制空心板剩余承载力、跨中挠度和破坏形态的异同,进行了6块预制空心板受火后力学性能的对比试验研究,其中3块为未受火的对比试件,另3块为板底分别受火23、38、53min的试件。受火试验结果表明,各试件在升温过程中的跨中挠度随受火时间增加而显著增加,熄火自然冷却后,跨中挠度大部分可恢复。加载试验结果表明,对比试件和受火试件的最终破坏模式均为弯曲破坏;随着受火时间延长,试件开裂荷载和破坏荷载均有所降低,且破坏荷载与受火时间大致呈线性关系;受火试件初始弯曲刚度较对比试件明显降低,相同荷载作用下,受火试件受拉边缘拉应变和受压边缘压应变,均明显大于对比试件。     

支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能影响研究

研究了支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响。考虑水平和竖向两种支撑布置形式,前者沿水平向布置在结构顶部,后者布置在结构各楼层,分别考虑其布置在结构边缘或者内部的情况。应用OpenSees软件对某7跨8层平面钢框架结构模型进行了数值分析。结果表明,火灾下结构倒塌始于受火柱的屈曲,该局部破坏向周边传播,导致整体结构下沉式倒塌或侧向倾覆式倒塌。竖向支撑可有效抑制结构的侧向倒塌,但容易导致底层柱的依次屈曲,不建议单独使用;通过将竖向支撑布置在结构内部,可有效阻止破坏向周边结构传播;水平支撑通过平均分配各柱轴压力,有效抑制周边柱的压曲,但容易造成结构局部或是整体侧向倒塌;同时应用两种支撑可有效提高结构抗倒塌性能。     

三面受火型钢混凝土柱耐火极限试验研究

在实际火灾中,结构中的柱子有可能处于三面受火的状态。由于受火边界的差异,其耐火性能与四面受火的情况有所不同。为认识三面受火型钢混凝土(SRC)柱的耐火性能,进行了两根ISO-834标准火灾作用下三面受火(受拉侧不受火)SRC柱在偏心荷载作用下的耐火极限试验,观察了试件的破坏过程,取得了截面温度场分布、变形-时间关系曲线等数据,并分析了有关规律及机理。试验结果表明:达到耐火极限状态时,型钢的温度较低;混凝土爆裂对截面温度场及构件耐火极限均有影响;荷载比和偏心率是影响高温下SRC偏压构件变形特征及耐火极限的重要因素。试验结果可供三面受火SRC柱耐火设计参考。     

三面受火的方钢管混凝土柱火灾全过程力学性能分析北大核心CSCD

为系统研究非均匀受火时钢管混凝土结构的抗火性能,在合理选取不同阶段钢材和混凝土的热力本构模型的前提下,基于ABAQUS有限元平台,建立方形截面钢管混凝土柱三面受火数值模型。对经历常温加载、升温、降温以及火灾后等不同阶段的钢管混凝土柱力学性能进行初步分析,并与已有的试验进行对比验证;同时,分析了升温时间比t0、保护层厚度a、火灾荷载比n及长细比λ等参数对构件受火性能的影响。结果表明,三面受火时,钢管混凝土柱的破坏形式与均匀受火时有明显差异,因为柱截面温度的不均匀分布会使其产生附加偏心距,发生失稳破坏;三面受火后,钢管混凝土柱的极限承载力和延性均有不同程度的降低;长细比及升温时间比对三面受火时的方钢管混凝土柱力学性能影响较为明显,承载力和延性有明显的下降。     

三面受火的方钢管混凝土柱火灾全过程力学性能分析

为系统研究非均匀受火时钢管混凝土结构的抗火性能,在合理选取不同阶段钢材和混凝土的热力本构模型的前提下,基于ABAQUS有限元平台,建立方形截面钢管混凝土柱三面受火数值模型。对经历常温加载、升温、降温以及火灾后等不同阶段的钢管混凝土柱力学性能进行初步分析,并与已有的试验进行对比验证;同时,分析了升温时间比t0、保护层厚度a、火灾荷载比n及长细比λ等参数对构件受火性能的影响。结果表明,三面受火时,钢管混凝土柱的破坏形式与均匀受火时有明显差异,因为柱截面温度的不均匀分布会使其产生附加偏心距,发生失稳破坏;三面受火后,钢管混凝土柱的极限承载力和延性均有不同程度的降低;长细比及升温时间比对三面受火时的方钢管混凝土柱力学性能影响较为明显,承载力和延性有明显的下降。