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。     

混凝土与钢筋混凝土结构抗火抗冲击研究评述

火灾高温和爆炸冲击荷载会对工程结构造成严重的破坏,二者通常相伴发生,对工程结构产生的破坏更为剧烈。从混凝土材料和钢筋混凝土构件两个层面,分别综述了火灾高温与爆炸冲击荷载单独及联合作用对混凝土与钢筋混凝土结构影响的物理试验、理论分析与数值模拟方面的研究进展,发现现有研究工作的特点为:火灾高温/爆炸冲击单独作用研究多,耦合或联合作用研究少;试验研究工作多,理论分析与数值模拟工作少;宏观均质数值模型多,微/细观非均质数值模型少。建议今后开展火灾高温与冲击荷载联合作用下混凝土材料及钢筋混凝土构件物理试验研究,建立钢筋混凝土构件全过程响应研究的多尺度分析理论与数值模型,揭示钢筋混凝土构件的损伤破坏机理,为灾后损伤评估及安全加固提供基本理论。     

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。     

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。     

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。     

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。     

钢结构建筑的消防安全性能化设计——系统方法探析

根据钢结构建筑构件耐火性能的特点，应用建筑防火安全性能化设计系统方法对钢结构建筑发生火灾时热、烟对建筑结构和建筑内人员的影响进行了分析研究，确定了火灾下人员与建筑结构的安全准则。运用FDS4．0对一建筑实例建模，通过模型与建筑实际火灾相似性的计算机数值模拟研究，得出了火灾情况下建筑内的热、烟蔓延情况，同时采用ANSYS8．0分析技术对火灾下钢结构的结构反应进行了研究。以性能化设计系统方法对钢结构建筑发生火灾进行了耐火分析研究，在此基础上给出了定量的分析方法，为钢结构建筑的火灾安全工程设计和应用提供了一种新的技术。     

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。     

局部火灾下正放四角锥网架中杆件约束效应分析北大核心CSCD

基于改进的正放四角锥网架结构在非均匀温度场中的数值分析模型,建立了147例数值分析模型。借助ANSYS软件的热力耦合数值分析功能,得到了网架结构高温力学特征量数据库,从杆件纵向变形与杆件应力历程的角度,研究了局部火灾下杆件间的约束效应分布规律,同时研究了温度场非均匀性、荷载比、网格尺寸对杆件约束效应的影响规律,研究表明,在局部火灾下,网架结构斜对称轴上中间位置处腹杆受到的轴向约束最强,表现为压应力增加;垂直于斜对称轴方向的杆件表现为拉应力增加;杆件轴向约束程度随温度场非均匀性的增强及网格尺寸的减小而增大;在结构高荷载比情况下,温度场非均匀性和网格尺寸对杆件轴向约束的影响尤为显著。     

升—降温全过程中约束钢梁的有限元与试验分析

以轴向支撑连接方式,利用自制的加热炉对约束钢梁进行了升—降温全过程的试验研究。重点研究了钢梁的跨中挠度随温度变化的规律,以及梁端不同轴向支撑刚度和钢柱不同轴压比条件下约束钢梁的屈曲模式及其梁端轴向支撑的破坏形态。基于ANSYS有限元软件,采用温度场和结构耦合中的间接法,对升-降温全过程中的约束钢梁进行了有限元分析。数值计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型和参数设置的合理性。根据对比分析,讨论了我国现行钢结构防火技术规范中存在的关键问题,特别提出了钢结构抗火设计应有的内涵,为钢结构抗火研究提供了新的思路。     

通过改进节点性能确保火灾下钢框架结构的鲁棒性(英文)

介绍了钢框架结构火灾下鲁棒性的背景知识,建议对于非常重要的建筑结构,抗火安全设计必须包括通常设计中尚未考虑到的意外破坏模式。文章辨识了结构意外破坏的不同模式,并提出了保证结构安全性的可行方法。本文主要介绍了如何利用梁的悬链线效应,使荷栽从受损结构重新分配到相邻结构,该效应是梁受弯承载力状态的一种转变。为确保钢梁中悬链线效应的充分发展,最重要的是要保证节点具有足够的抗拉承栽力与转动能力。本文提出了一种节点转动能力需求的量纲分析方法,并根据一些试验结果,介绍了英国常用的梁柱节点可到达的转动能力。虽然一些延性较好的节点在升温时能够达到10°的转动能力,但当钢的温度非常高时,其仍不能满足使悬链线效应充分形成时所需要的转动能力(>15°)。随后,讨论了如何提高节点的转动能力,包括:采用具有较好延性的节点(例如开反向槽口的节点),改进节点的细部构造(如将节点的受拉区移近至受压区,并为螺栓开槽型孔)和采用更强的、延性更好的由耐火钢制成的螺栓。这些提出的节点技术需要与节点在其他设计要求下的性能要求相协调(如刚度),为满足不同的结构性能要求,找到最优的节点设计方法,仍需要更深入的研究。     

火灾模型对钢交错桁架结构性能化抗火设计的适用性分析

对目前性能化防火设计中常用的4种火灾作用模型进行了分析和总结,并运用这4种模型对钢结构交错桁架在火灾时的热环境进行了模拟,分析不同火灾作用模型下该体系的结构响应,研究不同火灾作用模型对交错桁架结构性能化抗火设计的适用性。研究表明:火源功率、火灾载及火灾持续时间等因素对钢结构交错桁架的抗火分析具有重要影响。国际标准升温曲线和参数化室内升温曲线不考虑火源功率、建筑通风口等因素,缺乏针对性,分析结果偏于保守;区域模型所得温度偏低,不宜用于交错桁架结构的性能化抗火设计;场模型考虑了火源功率及环境温度分布的不均匀性,和实际火灾较接近,计算结果相对较为准确,可用于结构的性能化防火设计。     

火灾高温作用下波纹腹板钢梁剪切屈曲系数研究

波纹腹板钢梁具有优良的抗剪切性能,在常温条件下,它的剪切屈曲模式通常有3种:局部剪切屈曲、总体剪切屈曲和相关剪切屈曲.根据火灾燃烧不同时刻波纹腹板钢梁的温度变化,考虑火灾高温对结构钢材料性能的影响,研究了波纹腹板钢梁在火灾高温作用下的3种剪切屈服模式,给出了高温下波纹腹板钢梁临界剪切屈曲应力和剪切屈曲系数的计算表达式,...     

基于简化分析方法的混凝土高温爆裂数值模拟∗

介绍了混凝土高温爆裂剥落理论及影响因素,结合国内外混凝土高温爆裂剥落研究成果提出一种简化分析方法,利用CAD-VBA二次开发生成混凝土细观几何模型,采用ADINA非线性分析软件建立热力耦合有限元模型,模拟高温下混凝土结构的爆裂剥落过程,并分析了混凝土高温爆裂剥落的主要影响因素。研究结果表明:(1)距离受火边界越近,爆裂损伤程度越高;(2)高温爆裂一般发生在距离受火边界0～5 cm范围内的水泥浆体上,混凝土结构(二维)发生爆裂剥落的面积占结构总面积的比例较小;(3)随着受火边界(面)数量、加热速率的增加,孔隙水蒸汽压力、混凝土强度等级、骨料热膨胀系数的增大,结构场外荷载的施加,混凝土结构发生爆裂剥落所需的时间减少;(4)受火边界(面)数量、结构场外荷载、混凝土强度等级对爆裂剥落的损伤程度影响较小,加热速率、孔隙水蒸汽压力及骨料热膨胀系数对爆裂剥落的损伤程度影响较大。     

受火侵袭波纹腹板钢梁的侧向弯扭屈曲及其参数分析

基于ANSYS的有限元数值计算,考查了简支波纹腹板钢梁在火灾作用下的侧向弯扭屈曲。通过与平腹板钢梁的临界温度作比较,研究了波纹腹板钢梁分别在纯弯矩和集中载荷作用下的抗火性能,并分析了栽荷比、初始缺陷等因素对波纹腹板钢梁抗火性能的影响。分析表明,波纹腹板钢梁与平腹板钢梁在火灾作用下有相同的侧向弯扭屈曲性能。     

腹板开槽冷弯薄壁卷边槽钢抗火性能有限元分析模型

位于冷弯薄壁型钢构件腹板的槽孔,可延长构件两边的热量传递路线,减弱冷弯薄壁钢构件作为墙板龙骨引起的冷桥效应。常温下冷弯薄壁构件的屈曲破坏模态已非常复杂,包括整体屈曲、局部屈曲和畸变屈曲等,且不同的屈曲破坏模态可能会相互影响。火灾下冷弯薄壁构件的破坏机理将更为复杂,根据常规的稳定理论难以求解其火灾下的临界荷载。本文利用有限元方法对火灾下腹板开槽冷弯薄壁卷边槽钢的受力性能进行了模拟,研究了单元类型、材料模型、初始几何缺陷以及求解方法等因素对分析结果的影响,为同类构件抗火性能的有限元模拟分析提供了建模依据。     

火灾中均布荷载作用下钢筋混凝土方板的极限分析

本文利用有限差分法确定了火灾时钢筋混凝土板的温度分布，并基于塑性铰线理论确定了火灾时钢筋混凝土方板的破坏机制，根据高温下混凝土和钢筋的力学性能对火灾过程中塑性铰截面的弯矩及板的极限荷载进行了分析，可为建筑结构的耐火设计提供依据。