基于子结构模型的多高层钢结构的耐火性能及破坏机理课件

1、基于子结构模型的多高层钢结构的耐火性能及破坏机理 内容提要 研究的背景与意义1 国内外研究现状2 研究方法及内容3 研究目标及进展4 研究进度计划 51、研究的背景与意义材性好可靠性高强度高自重轻刚度大连接方便重复利用率高抗震性能好钢结构施工速度快背景1、研究的背景与意义 钢结构建筑面积占建筑总面积之比（%）背景1、研究的背景与意义钢结构屋盖火灾倒塌实例建筑名称结构类型火灾日期破坏情况安徽蒙牛乳业有限公司 钢结构库房2005.8.2 屋顶倒塌青岛正大公司钢屋架2003.4.6钢屋架倒塌玉泉营环岛家具城钢结构1998.5.525min倒塌长春卷烟厂钢木屋架1981.4.5 倒塌北京友谊宾馆剧场钢

2、木屋架1983.1220min倒塌唐山市棉纺织厂钢梁1986.2.820min倒塌北京高压气瓶厂钢屋架1986.4.8 倒塌江油电厂俱乐部钢屋架1987.4.2120min倒塌背景钢结构耐火性能差，温度为500时，钢材屈服强度将降至室温下强度的一半，600 时，钢材将丧失大部分强度和刚度。1、研究的背景与意义意义钢结构火灾中损害严重通过对钢结构耐火性能及破坏机理的研究推动火灾下多高层钢结构的抗火设计理论的发展及其应用减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中倒塌造成人员伤亡2、国内外研究现状 国际上从20世纪50年代开始重视结 构抗火研究，但以结构分析的方法对结构的抗火性能进行研究大约始于197

3、0年左右。我国结构抗火研究起步较晚，20世纪90年代同济大学在国内较早的开展了钢框架结构等抗火试验与理论研究。2、国内外研究现状研究单位研究人员主要研究内容 同济大学李国强，蒋首超等钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究，钢结构抗火设计，钢梁、组合梁、钢柱等的抗火性能试验研究。清华大学过镇海 ， 时旭东等钢筋混凝土的高温性能研究,钢筋混凝土受压柱受热性能分析。哈工大 青岛理工大学董毓利，范明瑞等钢框架足尺结构抗火性能的试验研究，H型钢梁、钢柱抗火性能试验研究。西安建筑科技大学李晓东等钢筋混凝土简支板、连续板火灾行为试验研究，H型截面钢柱抗火性能试验研究。山东建筑大学 王玉镯等钢筋混凝土框架节点火灾下

4、的抗火性能模拟。国内3、研究方法及内容方法 理论分析与数值模拟 试验研究 数值模拟与试验结果 对比，提出结论阅读已有文献及相关参考资料，掌握钢材在高温下的力学性能与物理特性，利用ABAQUS建立整体钢结构火灾下的模型，并进一步提出子结构模型。通过ABAQUS建立更加精细化的子结构模型进行数值模拟分析，与试验结果进行对比，得出子结构的耐火极限，进而提出多高层钢结构在局部受火时的破坏规律。3、研究方法及内容内容局部火灾作用下高层钢结构破坏规律的分析火灾试验研究基于子结构的高层钢结构耐火性能与破坏机理分析高层钢结构耐火性能的分析，提出子结构模型设计了四个试验模型，采用高温试验炉进行火灾模拟，分别在不

5、同的受火部位进行试验，研究模型在不同受火情况下的行为特征。子结构的精细化数值模拟，对中间柱和边柱的破坏机理及影响因素的分析局部梁、柱的屈曲破坏对结构的影响及整体结构失稳破坏的影响因素基于构件防火设计方法的有效性与对比分析利用ABAQUS软件对整体钢结构在局部火灾下进行数值模拟分析4、研究目标及进展进展（一）利用ABAQUS对不同层数的整体钢结构在局部火灾下的破坏规律进行了模拟分析。高层钢结构在局部火灾下破坏的数值模拟八层钢结构四层钢结构十二层钢结构着火房间位置4、研究目标及进展进展（一）高层钢结构在局部火灾下破坏的数值模拟柱构件温升曲线梁构件温升曲线4、研究目标及进展进展（一）高层钢结构在局部

6、火灾下破坏的数值模拟同一结构：房间1着火时，外侧钢柱所受约束较少，变形大于内侧钢柱。着火房间的变形破坏对结构横向的邻间影响较大，对纵向的邻间影响较小。次梁与纵向主梁为刚性连接，纵向主梁破坏时引起次梁产生过大变形而发生屈曲破坏。着火房间钢柱的破坏导致其上层房间钢柱发生过大变形而破坏。房间2着火时，钢梁、钢柱变形没有房间1着火时大，着火房间的变形破坏对其周围房间的影响比较均衡，对其上层结构的影响主要是由着火房间钢柱受火破坏产生的。不同结构：八层与十二层结构由于底层钢柱所受荷载较大，发生火灾时其破坏比四层结构要严重，且着火房间的变形与破坏对周围房间的影响也较四层结构大。房间1着火房间1着火房间2着火

7、房间2着火4、研究目标及进展进展（一）房间1着火时钢柱轴力图房间2着火时钢柱轴力图结论：同一结构，不同火场位置引起的周围房间变形的不同主要取决于钢柱与周围构件的约束情况；对于不同结构，着火房间的破坏程度及破坏快慢主要取决于结构等效至底层钢柱的荷载大小。高层钢结构在局部火灾下破坏的数值模拟随着温度的升高，钢柱受热产生不均匀膨胀，上部结构和地面对钢柱的约束使得钢柱内部产生附加应力。四层钢结构钢柱轴力达到峰值的时间约为33分钟，而八层和十二层到了约26分钟时钢柱轴力就达到了最大值。4、研究目标及进展进展（二）结合前人做试验的结论，通过整体结构的分析，研究其破坏类型。初始破坏大体分三种中间柱破坏钢结构

8、耐火性能的子结构分析模型及分析方法边柱破坏边梁、边柱同时破坏4、研究目标及进展进展（二）为了确立不同破坏机制的子结构模型，对一个10层钢结构进行了分析。中柱、梁受火时破坏变形图钢结构耐火性能的子结构分析模型及分析方法对每一种破坏形式，假设初始破坏构件受火而其他构件不受火，进行火灾热力分析。4、研究目标及进展进展（二）钢结构中间柱破坏规律的分析。影响因素上层楼层的约束影响上层楼层的荷载影响 约束影响下中柱轴力变化钢结构耐火性能的子结构分析模型及分析方法不同层数的结构底层中间柱轴力变化曲线规律相同，约束刚度的不同导致柱最大轴向力不一样；层数越多，约束刚度越大，最大轴力越大，3层以上与3层以下影响更

9、明显。4、研究目标及进展进展（二）钢结构中间柱破坏规律的分析。影响因素上层楼层的约束影响上层楼层的荷载影响钢结构耐火性能的子结构分析模型及分析方法约束和荷载影响下的中柱轴力变化不同层数的结构底层中间柱轴力变化规律也相似，但层数越多，发生最大轴力的时间越提前，层数大于3层后的变化更明显。4、研究目标及进展进展（二）约束影响下边柱轴力变化边柱耐火极限变化图边柱破坏的规律的分析。钢结构耐火性能的子结构分析模型及分析方法最大轴力增大幅度较小，上部楼层的约束刚度较小，楼层刚度约束对边柱的耐火极限影响进一步减小。同中柱耐火极限规律类似，不同之处在于，六层以上边柱耐火极限受荷载影响逐渐减小，趋于平缓。4、研

10、究目标及进展进展（二）中柱子结构分析模型根据中间柱的破坏规律，将上部楼层的约束影响和荷载影响分开简化考虑。选择上部两层柱作为受火柱的转动约束假设各层轴向刚度相同，K=Ki上部楼层荷载叠加，P=Pi边柱破坏规律与中柱类似，不同之处：考虑边梁，模拟边柱破坏、边柱和边梁共同破坏两种机制。楼层刚度约束对边柱的耐火极限影响较减小，将上部楼层的约束刚度的影响去掉。边柱子结构分析模型钢结构耐火性能的子结构分析模型及分析方法4、研究目标及进展进展（三）根据破坏机制设计试验模型，计划进行四组试验。试验一试验二试验设计试验三试验四4、研究目标及进展进展（三）试验设计滚轴测力支座压力传感器柱子底截面轴力的量测：3个压力传感器都贴电阻应变片（各4片），实验前进行标定；试验中，将左侧两个压力传感器的电阻片串联，给出反力R1，