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.     

火灾作用下钢交错桁架结构体系的力学响应分析

钢结构交错桁架结构是一种经济、实用、高效的结构体系,对其在火灾作用下的力学响应进行分析对该体系的抗火设计具有重要意义.采用数值模拟的方法对无防火保护的空腹钢结构交错桁架体系在局部火灾作用下的力学响应性能进行了瞬态过程分析,结果表明:局部火灾下,空腹钢结构交错桁架体系更易发生强度失效;桁架弦杆比腹杆和柱先失效,进行防火设计时应着重考虑弦杆的防火问题.     

热-力耦合作用对建筑结构火灾安全的影响

结构火灾安全可以避免建筑物在火灾中坍塌.火灾热环境影响建筑结构的响应,传统的标准火灾环境有一定的局限性,不能完全适用于若干真实火灾场景.因此有必要开展真实火灾环境下建筑结构的热-力响应特性研究,发展有效的工程工具来设计经济安全的结构.近来,性能化的结构火灾安全设计评估方法和相应技术发展迅速,该文给出一种综合考虑热-力耦合作用的结构火灾安全设计评估方法及相应流程.首先通过建筑和燃料特性来预测可能的火灾热环境特性,然后再分析构件和结构的热响应和力学响应特性来判定结构是否会失效,以及可以降低热和力影响的预防失效措施.该文通过案例分析将该方法应用于某中庭钢结构屋顶的防火保护,得到经济合理的防火涂层设计,满足有关防火规范的安全等价要求.     

梁柱全焊接节点火灾响应特性分析

采用有限元法对梁柱全焊接节点在火灾下的热、结构响应进行模拟,分析了不同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示了特定参数对全焊接节点的火灾响应特性,对比分析了全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能。结果表明:具有不同升温速率的火灾曲线对全焊节点到达极限状态的时间有显著影响;全焊接节点加载的荷载比越大,节点到达极限状态的时间越短;带有加劲肋的全焊节点耐火时间略长于无加劲肋的节点;在相同升温条件下,全焊节点的耐火时间比栓焊节点的长,抗火临界温度略高于栓焊节点。可为钢结构全焊接节点的抗火设计提供技术参考。     

火灾下钢框架结构热-力耦合模拟与性能分析

基于"自然火灾安全概念"(NFSC)的基本思想,提出了火灾下钢结构热-力耦合模拟方法。利用ANSYS的参数化设计语言,建立了ANSYS软件与OZone火灾分析软件的数据接口,实现了火灾分析软件与大型有限元软件的耦合运用。基于火灾模拟软件OZone的分析结果,利用APDL语言,对钢框架结构进行了真实火灾场景下的热-力耦合模拟。研究表明:钢框架结构在真实火灾场景下,受非均匀变热流影响,结构内部将产生热应力梯度和应力牵移现象;同时钢框架中钢梁固接时,火灾初期变形较小,当达到某个关键时间点后将开始大的变形破坏,其主要原因是钢框架内部产生塑性铰,即钢梁由固接变为铰接,释放了对钢梁的约束。     

概率火灾安全分析方法研究

为分析和评估火灾对设备、建筑物等敏感目标结构安全的影响,结合化工定量风险评估方法和气体爆炸概率安全分析方法,提出概率火灾安全分析策略和实施流程。该方法包括火灾危害辨识、泄漏速率计算、火灾后果模拟、频率分析、绘制频率超越热载荷曲线、结构响应分析等关键步骤。以某柴油罐区为例,通过频率分析和火灾模拟,绘制出频率超越热载荷曲线,假定火灾风险可接受准则为10-4/a,求得对应的可信热载荷为21 kW/m2,并以此值作为结构热响应分析的输入参数。火灾概率安全分析方法侧重于描述火灾热辐射强度及其对应的发生可能性,判定敏感目标遭遇的可信火灾热载荷强度和结构热响应行为,评估消防减灾措施效果,确保结构完整性和可用性,不评价工艺系统潜在火灾风险的高低。     

局部火灾条件下某钢结构屋架的抗火保护研究

本文针对局部火灾条件下钢结构屋架的防火保护问题,结合典型案例提出了一种基于性能计算分析的抗火保护设计评估分析方法.首先通过火灾场景分析及烟气运动模拟计算,得到钢结构屋架所处的热环境,再计算各构件在不同保护条件下的温升及应力分布,并判断构件及结构在不同的保护方式下是否失效,最后得到经济合理的保护区域和防火涂层厚度.该方法可以为类似的局部火灾条件下钢结构抗火保护提供参考.     

油气泄漏火灾下FPSO热-结构耦合分析

针对FPSO油气泄漏引发的火灾风险,建立热-结构耦合分析模型,采用ANSYS Workbench软件对工艺区设备泄漏、火灾事故及灾害下结构响应进行数值模拟,重点分析工艺处理模块Ⅰ区设备温度分布及热变形情况。通过对比不同油气泄漏速率和环境风速下火灾发展、危害范围和结构受损程度,探讨油气泄漏孔孔径和风速对火灾后果的影响。结果表明:稳定发展火灾下工艺处理模块Ⅰ区设备周围环境维持高温状态;泄漏孔附近结构受损最严重,原油热处理器受火灾损害发生大的变形;随泄漏孔孔径增大,火灾危害范围扩大,结构发生大变形的区域增大,d=40 mm时原油热处理器受损最严重,d=60mm时结构受损区域最大,大部分结构受损程度加剧;来风风速的变大使得火灾更加剧烈,设备受损区域扩大,受损程度加剧,结构火灾风险加大。     

火灾中液化气储罐热响应CFD模拟的UDF程序设计

为了降低火灾环境下储罐内部介质热响应及储罐失效试验研究的成本和风险,更好地为储罐事故的预测预防提供模拟依据,利用Fluent 12.0软件对密闭容器内部介质的传热传质过程进行模拟,给出了内部介质在受热和冷却条件下相变的控制方程;通过考虑内部介质气化热随温度的变化及饱和温度与区域单元压力之间的关系,编写了内部介质在受热和冷却条件下质量和能量源项的用户自定义函数(UDF);通过对部分参数进行简化,分别给出了喷射火和池火条件下丙烷储罐热响应模拟的结果,并与试验结果进行了对比.结果表明:储罐热响应各主要参数(内部介质温度、壁面温度,储罐内部压力)的误差在喷射火条件下低于15％,在池火条件下低于12.4％.这表明模拟所需源项UDF正确,可以用于现实储罐热响应的模拟.     

大型仓库防火分区问题性能化设计研究

本文运用性能化设计方法对某大型仓库防火分区问题进行分析说明,其结果勿需对空间进行实体分隔,从而实现动态分区。为了实现了动态分区,通过采用合理的消防对策和减少火灾时热释放速率的方法,防止火灾扩散和蔓延。本文运用ISO9705实验装置研究了该仓库内主要可燃物(轮胎)在不同堆放方式下的热释放速率,通过确定可燃物堆放方式来减少该仓库的热释放速率,由于研究结果表明了可燃物水平堆放比垂直堆放的热释放速率小得多,从而可燃物应水平堆放;同时本文也对采用标准喷头和快速响应早期抑制喷头的自动喷水灭火系统分别进行了科学计算,比较二者的结果所得：标准喷头不能实现对着火源的控制,而快速响应早期抑制喷头可以对着火源的控制,该仓库的自动喷水灭火系统采用快速响应早期抑制喷头可以将火势控制在一定的范围内,火源上方(z=6．8m)温度分布也表明该仓库不需要进行钢结构保护。     

某大空间建筑钢结构性能化消防设计分析

本文通过对钢结构建筑及其构件防火性能的深入分析,结合钢结构建筑的优势、发展前景以及在防火领域的特性,以某大空间建筑为例探讨钢结构建筑性能化消防设计,通过性能化结构抗火分析了解钢构件在真实火灾下的性能,确定钢结构建筑的防火保护策略,从而增强钢结构建筑在火灾下的整体性和稳定性。     

喷射火灾环境下LPG储罐热响应规律模拟研究

为研究喷射火灾环境下,热流密度和受热位置两个主要外界因素对LPG卧式储罐热响应规律的影响,利用CFD软件建立喷射火灾环境下LPG卧式储罐热响应模型,以Birk等人的现场火灾实验来验证模拟模型的有效性。结果表明:储罐压力上升与热流密度成正比;在高热流密度情况下,热流密度的变化对罐内液相温度影响较小,最高温差为22 K,然而对罐壁温度和气相温度影响较大。高热流密度侵袭储罐时,加热位置对罐内压力影响较小,液相介质的汽化作用对压力上升起主导作用;不同加热位置对储罐热响应影响程度从大到小依次是:气液两相同时受热,封头部位受热,储罐底部受热。     

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.     

某体育场馆性能化防火设计火灾模拟研究

文章根据某综合体育馆建筑特点以及其火灾危险性确定了防火安全目的,针对其自动灭火系统以及钢结构防火涂料保护等问题,采用了性能化防火设计的方法分析并模拟了火灾状况,依据火灾模拟的结果,分析火灾温度场和烟气层分布规律,从而提出了有针对性的解决方法,为体育馆消防安全系统的设计提出建议。该项目的研究方法及成果可为其它类似的设计提供借鉴。     

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。     

火灾下沉管隧道热力耦合分析及防火实验研究

为研究具有排烟结构的大跨沉管隧道火灾下力学行为,综合采用火灾动力学模拟软件FDS和结构分析软件ANSYS,对无防火措施下的温度场及结构响应规律进行分析,并通过防火材料的实验炉高温试验研究防火效果与防火方案。结果表明火灾位置的不同对结构影响区别较大,结构应力重分布显著,部分位置有开裂、压溃可能,产生最大变形3.6mm,防火宜采用双层搭接防火板。     

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。     

基于极限载荷法的火灾环境下长管拖车气瓶安全性评估

使用计算流体力学软件FLUENT对轮胎火灾环境下长管拖车气瓶的热响应过程进行数值模拟,得到气体温度、压力以及气瓶温度随时间的变化规律,并基于极限载荷法对火灾环境下气瓶的强度进行有限元分析,计算其爆破压力,预测气瓶爆破时间,对气瓶安全性进行评估。结果表明:轮胎火灾环境下气瓶强度迅速下降,气瓶在安全泄放装置动作前爆破,存在一定的安全隐患。     

钢构件非均匀温度分段方案对结构响应模拟精度的影响

局部火灾条件下的非均匀温度分布会通常会导致钢结构构件的非均匀温升并影响其安全性能,在进行结构火灾安全分析时通常需要将这种非均匀分布分段平均处理.本文利用结构分析软件数值模拟研究了温度分段平均处理方案对设定的非均匀温度分布的钢结构轴力、剪力、弯矩、挠度等力学参数的影响.研究结果表明:合适的温度分段平均处理可以比较准确地反映非均匀温度分布对这些参数的影响,为进一步的结构安全分析提供条件.本案例中将非均匀温度分布平均处理为20段就可以将相对误差控制在5%以内.     

室内火灾喷出和旋转火焰的实验和数值模拟

喷出火焰和旋转火焰是室内火灾火焰的两种常见存在形式。利用小规模室内火灾试验装置和FDS软件,对室内火灾喷出火焰和旋转火焰进行了实验模拟和数值模拟;根据模拟结果,提出了小规模室内火灾条件下喷出火焰根部温度估算公式,分析了室内火灾火焰旋转的机理及其引起热烟气层温度、地板辐射热通量等参数升高的原因。