真实火灾下钢筋混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能分析

框架结构整体的耐火性能研究是保证结构在火灾下安全性的重要问题,通过ABAQUS建立钢筋混凝土柱-钢梁框架结构的温度场模型和热力耦合力学模型,分析在真实火灾升温作用下,不同受火工况对于组合框架的耐火性能的影响,并与标准温度曲线做对比,得出框架的温度场、应力、应变云图,并对框架结构的柱顶竖向位移、梁柱节点水平位移、梁跨中挠度、应力应变发展规律进行分析.     

考虑蠕变的约束钢梁抗火性能分析方法

高温和荷载共同作用下钢材产生明显的蠕变变形,对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大的影响。在约束钢梁抗火性能分析中考虑蠕变的影响,引入钢材的高温蠕变模型,通过考虑蠕变产生的钢梁截面应变,建立考虑钢材高温蠕变影响的约束钢梁分析理论,并利用MATAB编写了计算机程序。采用该程序计算了火灾下约束钢梁的约束轴力和跨中挠度,计算结果和试验数据吻合较好。采用验证后的程序进一步分析了蠕变对简支钢梁和约束钢梁抗火性能的影响。研究表明:提出的分析方法可以准确考虑蠕变对钢梁抗火性能的影响;蠕变效应对简支钢梁耐火极限影响较小,而对约束钢梁影响较大。     

带楼板钢筋混凝土T形梁火灾下(后)温度场研究

为了进一步研究I S O-8 3 4标准火灾作用下三面受火带楼板钢筋混凝土T形梁的温度场分布,采用A B A Q U S非线性有限元软件建立带楼板钢筋混凝土T形梁的温度场分析模型,在此基础上,在不同T形梁截面尺寸和高宽比等情况下,对考虑升、降温全过程的温度场和火灾后温度场分布进行研究。研究结果表明:楼板对钢筋混凝土梁的截面升温有较大影响,T梁腹板宽度影响相邻楼板的温度场分布;考虑升温和降温全过程后,内部混凝土达到最高温度的时间明显滞后,距离受火面越远,升温滞后越严重;火灾后的混凝土截面温度场分布与升温或降温过程中任一时刻的温度场有较大不同,进行火灾后钢筋混凝土T形梁的力学性能分析时,应采用火灾后(历史最高)温度场。     

端部约束部分嵌入式钢-混凝土组合梁抗火性能试验

为研究有约束情况下钢-混凝土组合梁的抗火性能,以荷载比为主要参变量,开展了2个部分嵌入式钢-混凝土组合梁在ISO 834标准升温曲线下的足尺火灾试验。借助大型结构抗火试验平台模拟火灾环境,并通过预埋热电偶测试组合梁上部混凝土板内的温度场分布;利用布设在板面的位移计测量火灾下组合梁的竖向变形;通过专门设计的装置,实现对组合梁的端部约束并测量火灾下组合梁的实时约束力。通过观察试验现象以及测得的耐火时间、挠度变形和端部约束力等,分析部分嵌入式钢-混凝土组合梁在不同荷载水平下(荷载比0.3和0.5)的抗火性能。结果表明:荷载比为0.5的钢-混凝土组合梁在受火71 min时达到耐火极限,即跨中最大挠度值达到组合梁跨度的1/20;荷载比为0.3的钢-混凝土组合梁在受火77 min时因故停火,但根据其即时的变形值(147 mm)仅为破坏准则中变形极限要求的50%,可以推测该组合梁仍有抵抗火灾侵袭的较大潜力;根据组合梁的面内轴力全过程变化曲线,带有端部约束的钢-混凝土组合梁在发生较大变形时均出现了悬链线效应,对提高组合梁的抗火性能发挥了积极作用;荷载比越高,变形发展越大,悬链线机制产生的就越早;停火时,部分嵌入式组合梁均未发生明显的坍塌、钢梁整体失稳和混凝土被压碎等不利于承载的破坏机制,仅在距离支座不远处裸露钢梁的下翼缘(端部的受压区)出现局部屈曲。     

钢框架梁抗火承载力的有限元分析

为深入了解火灾下钢框架梁的破坏模式和各种因素对其抗火承栽力的影响，采用有限元法对工字形钢框架梁在不同荷载、不同约束下的极限承载力进行了理论计算，同时时平面框架进行了热一结构耦合计算．结果表明：钢框架中工字钢梁在火灾下的破坏模式为下翼缘侧移失稳，初始几何缺陷时刚接工字钢梁和简支工字钢梁的极限温度影响很小；受火梁由于梁的变形产生悬链力，会抵消一部分温度应力，且刚接梁在粱端部产生的局部屈曲进一步削弱了温度应力的影响；荷载较大时刚接梁的极限温度和耐火时间比简支梁高，且荷载时刚接梁的极限温度和耐火时间影响较小，对简支梁影响较大；粱柱节点是钢框架抗火的薄弱环节，火灾发生后非受火构件的内力也会发生较大的变化．     

钢筋混凝土梁火灾下抗剪性能的试验研究

对5根足尺钢筋混凝土简支梁进行了标准火灾试验,研究了钢筋混凝土梁火灾下的抗剪性能,得到了火灾中梁内混凝土的温度分布、纵筋和箍筋的温度变化、梁的竖向挠度、梁端的轴向变形以及梁的破坏模式,对比分析了不同混凝土保护层厚度、剪跨比对梁耐火极限的影响。结果表明:与常温下不同,提高混凝土保护层厚度可以显著提高钢筋混凝土梁火灾下的抗剪性能。受火条件下,随着剪跨比的减小,梁发生斜截面剪切破坏的耐火极限逐渐增加,但破坏时的脆性特征更加明显。     

标准火灾下U型钢-混凝土梁的耐火性能

为了研究U型钢-混凝土组合梁的耐火性能,文章采用在空间上运用有限单元与在时间上运用有限差分相结合的方法,应用ANSYS编制热分析程序,对组合梁在ISO-834标准火灾下的温度场进行了分析与计算。结果表明,在ISO-834标准火灾下,填充混凝土使U型钢-混凝土组合梁截面的温度分布不均匀,该梁的耐火特性显著优于普通型钢-混凝土组合梁,单纯地用给定临界温度来判定组合梁是否达到耐火极限不合理。此外,填充混凝土可有效降低钢梁截面的温度,产生温升延时效应,在升温前期,U型钢-混凝土组合梁的温度低于未填充混凝土的型钢梁,降幅可达15%~60%,温升延时可达约15 min。     

单面受火的矩形钢管混凝土柱截面温度场分析

运用有限元分析软件ANSYS建立了单面火灾作用下矩形钢管混凝土柱截面温度场计算模型,并将计算结果与以往试验结果进行对比,理论分析结果与试验结果吻合良好.在此基础上,对单面火灾和四面火灾作用下矩形钢管混凝土柱截面温度分布形式进行了对比分析,分析表明,单面火灾作用下,矩形钢管混凝土柱截面温度整体较低,材料损伤程度较轻,因而有利于提高构件的抗火性能.但截面温度分布呈单轴对称,产生初始挠度与附加偏心距,明显区别于四面火灾作用下构件的耐火性能.在工程常用范围内,分析了升温时间、含钢率、截面宽度、高宽比、保护层种类及厚度等参数对矩形钢管混凝土截面温度场的影响规律.结果表明:升温时间、截面宽度、保护层种类及厚度对矩形钢管混凝土温度场影响较大.温度场研究结果为单面火灾作用下矩形钢管混凝土柱耐火性能分析和抗火设计提供了理论基础.     

简支钢梁火灾行为的试验研究

为了考察火灾作用下简支钢梁的破坏特征及结构性能,对2根采用国产轧制H型钢的简支梁在不同荷载水平作用下的抗火性能进行了试验研究.采用水平燃油炉对试件进行升温,给出了采用轧制H型钢的简支梁在火灾作用下的变形和截面温度分布.试验结果表明:在火灾作用下,荷载对简支梁的挠度影响较小,对梁破坏时的温度影响较大.试验结果为H型钢梁火灾行为的理论研究提供了依据.     

高温下钢筋混凝土简支梁的抗火性能

对2根钢筋混凝土梁开展高温试验研究,采用合理的材料热工性能和热-力耦合本构关系,应用ABAQUS有限元软件对其温度场和结构变形性能进行三维实体有限元分析,温度场和结构变形性能计算结果与试验结果符合较好.在试验验证的基础上,开展有限元参数分析,探讨保护层厚度及荷载水平对钢筋混凝土简支梁抗火性能的影响.结果表明,钢筋混凝土简支梁的保护层越厚,受拉主筋升温越慢,构件变形延缓,耐火极限增大;荷载水平越大,耐火极限越小.     

碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的耐火性能试验研究

通过一根未加固钢筋混凝土梁,以及五根碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的三面受火试验,探讨不同厚度的厚涂型防火涂料、不同荷载比、不同碳纤维布加固量等因素对碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁耐火性能的影响。结果表明：高温下该类构件的破坏形态大致可分为受弯破坏和弯剪破坏两类,常温下发生弯曲破坏的加固构件有可能在高温下出现破坏形态的转变;虽然加固构件所承受的荷载明显大于未加固构件,前者由于防火涂料的保护,其耐火极限仍大于后者。只要科学合理地设置防火保护层,碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的耐火性能完全能够满足实际工程需要。     

火灾下钢梁温度场模拟及实验验证

对钢结构进行抗火设计时,需要对钢构件进行温升计算.对于重型钢构件或构件不均匀受火作用以及构件表面保护层不同时,其截面温度分布很不均匀,温差将对构件截面内的应力场产生很大影响,因而也就影响到构件和这个结构在火灾下的反应.由于构件截面边界形状复杂,且火灾升温函数任意     

简支钢梁在火灾下结构响应的分析及验证

采用有限元方法,模拟了H型简支钢梁在火灾下的结构响应,得到了瞬态温度场分布和梁挠度、转角和轴向变形的瞬态变化曲线,与试验结果比较,二者吻合,表明该方法正确可行,能够准确地预测梁出现屈曲失效的温度和时间,为火灾下钢结构的力学特性分析提供了一条行之有效的方法.本文还进一步分析了不同载荷对火灾中梁结构性能的影响.     

水平火灾实验炉试验与模拟分析

基于改进热平衡法,结合天然气燃烧的特点,采用火灾动力学模拟软件(FDS)构建水平火灾实验炉的数值模型,进行混凝土双向板火灾试验模拟研究.结果表明:通过控制燃料的供应速率控制燃烧机的输出热功率,可以实现水平火灾炉升温曲线与ISO 834的标准火灾升温曲线接近,模拟平均炉温与试验平均炉温最终误差为2.2%(22 ℃);水平炉烟道口温度高于平均炉温约87 ℃,与实际火灾实验炉烟道口频繁损坏现象吻合,因此,在实验炉设计中,应提高烟道与炉墙连接区域的设计耐火极限;FDS模拟得到的火灾炉内部及楼板受火面温度场呈不均匀分布,符合火灾实验炉各热电偶测点实测升温曲线不同的规律,温度场数据可用于研究非均匀温度场对混凝土板力学性能的影响.     

火灾后钢筋混凝土连续梁力学性能的计算分析

为研究火灾后钢筋混凝土连续梁力学性能,对已有试验结果进行理论分析,并提出计算火灾后构件力学性能简化算法.试验设置1根受火梁及1根对比梁,依据ISO834标准升温曲线对受火梁开展升温试验,静置后,进行受火梁及对比梁常温静载试验.根据实际升温曲线,利用有限元软件对受火梁温度场进行计算,结合常温及火灾损伤后材料力学性能,分析出截面弯矩曲率关系,得出截面抗弯刚度,继而计算出受火连续梁及对比连续梁的弯矩及位移.结果表明:当截面受压区直接受火时,刚度及承载力都有较大降低,其中刚度下降更加显著,当截面受拉区直接受火时,刚度及承载力变化较小;受火梁与对比梁相比,梁弯矩明显更多地向加载点分配,最终导致梁出铰顺序不同,随着荷载增加,常温梁中支座先屈服,继而加载点截面屈服,而受火梁加载点截面先于中支座截面屈服.计算结果与试验结果吻合较好,同时对比分析了传统的计算连续梁的方法,表明其不适用于预测火灾后损伤的连续梁力学性能.     

高层建筑的火灾模拟与逃生行为研究

以广州天河某商业中心为例,运用FDS和Pathfinder模拟器,研究了火灾场景时高层建筑内的烟气蔓延速度、温度、CO浓度和能见度的变化规律,以及室内人员的疏散行为特征。结果表明:①高层建筑中,在人员可用的安全疏散时间内,对人员逃生起决定作用的是中间过程阶段。在中间过程阶段,人员的移动速度会因路径选择难度的加大而变得缓慢,若适当地进行诱导,将有利于提高疏散速度。②本例中,仅通过疏散楼梯来进行人员疏散是不切实际的。考虑高温有毒的烟气有可能通过缝隙蔓延进电梯内,消防疏散电梯应仅停避险层、底楼或临近火灾区域的楼层。③FDS可以直接导入Pathfinder人员模拟器。通过FDS模拟高层建筑火灾,并结合Pathfinder进行人员疏散模拟,能根据实际情况找出最佳疏散时间,从而为实际应用中的疏散演练和应急诱导疏散规划等问题提供理论依据。     

基于FDS和Pathfinder的地铁车站人员疏散研究

为减小地铁火灾对人员生命财产所造成的损失,基于对地铁火灾的特点和危险因素,以及人员疏散仿真中主观和客观影响因素的分析结果,提出基于FDS(Fire Dynamics Simulator)和Pathfinder的地铁车站人员疏散决策分析方法,并以武汉市轨道交通五号线司门口地铁车站为研究背景,建立了FDS火灾仿真模型和Pathfinder人员疏散仿真模型。在FDS火灾仿真中,分别从烟气温度、CO浓度和能见度三个方面确定了各危险位置的可用安全疏散时间。在此基础上基于Pathfinder进行人员疏散仿真,主要从人员逃生率、可用安全疏散时间利用率等方面对其结果进行分析。通过改变仿真中的待疏散人员数量和火源功率,探究了该车站的人流量容纳能力和火源功率容纳能力,对地铁火灾疏散具有一定的参考价值。     

火灾下门式钢刚架倒塌模式及影响因素

采用火灾下门式钢刚架结构足尺倒塌试验验证有限元模型(FEM),然后对门式钢刚架结构进行二维及三维模拟,并研究构件升温工况、柱脚刚性、跨高比、防火保护、截面温度梯度、荷载比、风荷载及次要构件等因素对火灾下门式钢刚架结构倒塌模式的影响,归纳出四种典型倒塌模式。结果表明:有限元模型能准确预测火灾下门式钢刚架结构的倒塌行为;构件升温工况、柱脚刚性、荷载比及次要构件对倒塌模式影响较大,而风荷载、防火保护、截面温度梯度及跨高比对倒塌模式影响较小。最后,归纳了不均匀火灾下门式钢刚架结构的倒塌规律。     

正压送风位置和风量对高层建筑火灾烟气控制的影响

正压送风控烟是高层建筑烟气控制的重要手段,目前消防队伍普遍配备移动排烟装备,但这类装备在高层建筑的应用尚未普及,有必要开展高层建筑正压送风控烟技战术的研究。本研究在1/4缩尺寸高层建筑正压送风控烟实验研究的基础上,进一步开展了数值模拟研究,重点关注正压送风位置和送风风量对高层建筑竖井烟气控制效果的影响。研究结果表明,从高层建筑火灾中着火层下部进行正压送风比上部更具优势,在着火层上方楼层送风时,由于烟囱效应的影响,需要更大的送风风量才能有效控制烟气,且当正压送风强度不足时,还会造成竖井内温度的显著上升,从而威胁到建筑内部人员的安全,着火层下方正压送风的最佳位置应根据通风情况综合确定。