受火约束钢梁在升温段和降温段行为的理论分析(Ⅰ)

真实火灾中的调查和试验结果表明,约束钢梁比一般的无约束钢梁有更好的抗火承载性能。在梁端约束作用下,火灾中的约束钢梁能够产生很大的变形而且不会在瞬间坍塌。在梁中产生的轴力对梁在火灾中的行为有很大影响。影响约束钢梁行为的因素包括:荷载类型、轴向约束刚度、转动约束刚度、梁截面温度分布等。根据梁端约束情况和荷载类型,对梁的变形曲线进行了假设,据此可得出梁的轴力以及梁截面内应变与应力的分布。通过对应力的积分,可得出截面轴力及抵抗弯矩,然后结合梁的平衡方程,就可求出梁在火灾下的变形。为了进行火灾后的安全评估及修复工作,还需要了解钢梁在降温段的反应。当温度降低时,钢材的强度会得到恢复,这对恢复梁的承载能力是有利的,但是同时由于梁的收缩,梁内将进一步产生拉力,这对梁及两端的节点是很不利的。本文对约束钢梁在降温段的行为进行了比较深入的理论研究,并推荐了一种简单的计算方法。     

受火约束钢梁在升温段和降温段行为的理论分析(Ⅱ)

通过约束钢梁抗火试验结果与笔者提出的理论方法结果的比较,验证了升温段理论分析方法的正确性。在降温段,采用本文方法所得结果与其他理论所得结果也很相近。采用笔者提出的理论方法对约束钢梁进行了参数分析,研究了约束钢梁的轴向约束刚度、转动约束刚度、荷载比、梁的高跨比、钢材屈服、荷载作用类型和截面温度分布等因素对受火约束钢梁在升温段和降温段的影响。研究表明,上述因素,尤其是梁的荷载比、轴向约束刚度和高跨比等对约束钢梁在火灾升温段的行为有很大影响;在降温段,由于梁的收缩受到约束,引起很大的轴向拉力,轴向力的大小除了与梁的荷载比、轴向约束刚度有关外,还与梁所经历的最高温度有关。     

高温下钢及组合钢节点有限元建模及基于构件的分析方法(英文)

欧洲规范EC3 Part 1-1第5章[1]允许工程师使用一些先进的有限元分析软件来分析和设计钢结构,如线弹性、刚塑性以及二阶弹塑性整体分析。这3种极不相同的分析方法,能够用于简支、半连续以及连续节点模型中[2]。节点模型根据刚度的不同,可分为铰接、半刚性和刚性模型;按照强度的不同,可分为铰接、部分强度和全强度模型。尽管大多数的工程问题仅仅要求进行线弹性分析,但仍有一些特殊结构可能要求采用高级分析以降低施工成本,例如底层无支撑钢框架结构。在这种结构中,采用半连续节点(具有半刚度和部分强度特性)进行框架分析,会显著增强结构抵抗名义水平荷载、风荷载、整体缺陷、地震作用时的抗侧刚度和强度,因此在控制的水平荷载下计算的横向侧移可能在EC3允许的范围内。在基于性能的抗火设计中,结构抗火工程师可能想利用钢节点潜在的刚度和强度,尤其是有端板节点的钢结构,这是一种最常见的钢结构施工形式。端板可以是部分深度的,或者是延伸端板,涵盖了名义铰接、半刚性和完全刚性节点模型。本文给出了端板节点高温性能研究的一系列数值分析结果;应用基于构件的方法,建立了这些节点在高温下的力学反应计算公式,以及梁腹板剪应力分量、连接处的拉应力和压应力区域的力学模型。基于构件的方法能够考虑钢节点的热约束效应。对已有钢端板节点试验进行了有限元模拟和基于构件的分析表明,2种方法的分析结果与试验结果的偏差都是可接受的,包括热约束效应。     

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。     

某综合楼钢结构抗火安全设计与评估(Ⅱ) --火灾作用下结构的分析及抗火验算

某综合楼为一高层钢结构建筑。试验及对火灾调查表明,由于构件相互作用及荷载传递路径的改变,整体结构中的构件的抗火性能与抗火试验中的简支梁或柱有很大不同。本文采用基于性能化思想的抗火设计方法,对该综合楼进行了整体分析,考虑了构件之间的相互作用,并结合梁产生悬链线效应后的特点,确定出构件的实际受力。据此进行了构件强度及稳定的验算,提高了构件在火灾作用下的安全性。在楼板的抗火设计中,采用较新的科研成果,考虑了薄膜效应的影响,使一部分次梁免于防火保护,降低了防火成本。     

考虑结构整体性的组合梁抗火性能研究

处于结构整体中的构件具有比单个构件更高的抗火能力,这已在Cardinton试验以及一些火灾现象中得到了证实。由于结构的高次超静定,组合梁在火灾下达到其极限抗弯承载能力后,尚能够利用悬链线效应继续承载。通过理论和试验研究,给出了考虑结构整体性的组合梁火灾全过程计算方法。利用这种方法,可以计算组合梁挠度、轴力、跨中及梁端弯矩的变化全过程,进而对组合梁的抗火性能进行火灾全过程分析。通过试验,验证了这种理论计算方法的可靠性,为组合梁抗火性能的理论研究和抗火设计提供了参考。     

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。     

木结构防火设计方法简介

木材是唯一可再生的主要工业材料,对环境最为友好,是人类历史中的一种重要的建筑材料;但作为一种生物材料,木材具有易燃性,要确保木结构安全,就得充分重视木结构的防火设计。我国传统建筑主要是木结构建筑,其防火问题在我国很早就引起了重视,首先回顾了传统的防火设计方法;然后介绍了1h火灾防护方法,并详细分析了国内外不同木结构体系防火的设计、研究和思路等;其次简要介绍了木材的化学阻燃方法;最后总结木结构各种防火设计方法,提出存在的问题和未来研究的方向。     

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。     

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。     

钢管混凝土组合柱在标准火与真实火中的行为比较

以实际工程中常用的钢管混凝土组合柱为研究对象,通过ABAQU S大型有限元软件模拟钢管混凝土组合柱在标准火和真实火中的截面温度分布、应力、变形、破坏形态、耐火极限等力学行为。其中标准火选用ISO-834标准火模型,真实火采用欧洲规范Eurocode 1 Part 1-2中的参数火模型来近似模拟真实火灾的温度—时间关系。研究发现,钢管混凝土柱在两种火场环境中的行为差异很大,真实火中的冷却过程对钢管混凝土的破坏起重要的影响。基于本研究,还初步得到火灾过程中环境温度的升温速度、柱火灾荷载比等对钢管混凝土组合柱的抗火性能的影响。     

约束高强度Q460钢柱抗火性能分析

为了研究高强度约束钢柱在火灾下的反应,根据高强度结构钢Q460在高温下的力学性能参数,建立了约束高强度钢柱受火分析模型,得到了高强度约束钢柱在火灾下的轴向位移、跨中挠度、最大应力以及临界温度。采用有限元分析对理论结果进行了验证,两者吻合很好。利用验证过的该文计算方法计算了2种荷栽比、长细比和约束刚度比条件下的高强钢柱的抗火性能;采用CECS200:2006的力学性能参数计算了约束普通钢柱的抗火性能。通过对高强钢和普通钢的抗火性能分析发现,轴向约束明显降低钢柱的临界温度,长细比、荷载比越大,临界温度越低;高强钢的抗火性能要优于普通钢。     

火灾下约束钢柱临界温度的参数分析

利用经实验验证过的ABAQUS有限元模型对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱进行了参数分析。以钢柱的屈曲温度和临界温度作为主要的评价指标,主要考虑了轴力荷载比、弯矩荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、长细比和钢柱端部弯矩比等参数的影响,并且对不同参数之间的耦合性进行了分析。参数分析结果表明,轴向约束刚度的增大将会明显降低约束钢柱的屈曲温度,但是对其临界温度的影响相对较小;端部弯矩比对钢柱的临界温度影响很小;当钢柱的轴力荷载比和弯矩荷载比较小、轴向约束刚度比和长细比较大时,考虑屈曲后性能可以显著提高钢柱的抗火能力。     

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。