基于子結(jié)構(gòu)模型的多高層鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能及破壞機(jī)理課件

1、基于子結(jié)構(gòu)模型的多高層鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能及破壞機(jī)理 內(nèi)容提要 研究的背景與意義1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 研究方法及內(nèi)容3 研究目標(biāo)及進(jìn)展4 研究進(jìn)度計(jì)劃 51、研究的背景與意義材性好可靠性高強(qiáng)度高自重輕剛度大連接方便重復(fù)利用率高抗震性能好鋼結(jié)構(gòu)施工速度快背景1、研究的背景與意義 鋼結(jié)構(gòu)建筑面積占建筑總面積之比（%）背景1、研究的背景與意義鋼結(jié)構(gòu)屋蓋火災(zāi)倒塌實(shí)例建筑名稱結(jié)構(gòu)類型火災(zāi)日期破壞情況安徽蒙牛乳業(yè)有限公司 鋼結(jié)構(gòu)庫房2005.8.2 屋頂?shù)顾鄭u正大公司鋼屋架2003.4.6鋼屋架倒塌玉泉營環(huán)島家具城鋼結(jié)構(gòu)1998.5.525min倒塌長春卷煙廠鋼木屋架1981.4.5 倒塌北京友誼賓館劇場鋼

2、木屋架1983.1220min倒塌唐山市棉紡織廠鋼梁1986.2.820min倒塌北京高壓氣瓶廠鋼屋架1986.4.8 倒塌江油電廠俱樂部鋼屋架1987.4.2120min倒塌背景鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差，溫度為500時(shí)，鋼材屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半，600 時(shí)，鋼材將喪失大部分強(qiáng)度和剛度。1、研究的背景與意義意義鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)中損害嚴(yán)重通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐火性能及破壞機(jī)理的研究推動(dòng)火災(zāi)下多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)理論的發(fā)展及其應(yīng)用減輕結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞，避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中倒塌造成人員傷亡2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國際上從20世紀(jì)50年代開始重視結(jié) 構(gòu)抗火研究，但以結(jié)構(gòu)分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行研究大約始于197

3、0年左右。我國結(jié)構(gòu)抗火研究起步較晚，20世紀(jì)90年代同濟(jì)大學(xué)在國內(nèi)較早的開展了鋼框架結(jié)構(gòu)等抗火試驗(yàn)與理論研究。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究單位研究人員主要研究內(nèi)容 同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)，蔣首超等鋼-混凝土組合梁抗火性能試驗(yàn)研究，鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)，鋼梁、組合梁、鋼柱等的抗火性能試驗(yàn)研究。清華大學(xué)過鎮(zhèn)海 ， 時(shí)旭東等鋼筋混凝土的高溫性能研究,鋼筋混凝土受壓柱受熱性能分析。哈工大 青島理工大學(xué)董毓利，范明瑞等鋼框架足尺結(jié)構(gòu)抗火性能的試驗(yàn)研究，H型鋼梁、鋼柱抗火性能試驗(yàn)研究。西安建筑科技大學(xué)李曉東等鋼筋混凝土簡支板、連續(xù)板火災(zāi)行為試驗(yàn)研究，H型截面鋼柱抗火性能試驗(yàn)研究。山東建筑大學(xué) 王玉鐲等鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)火災(zāi)下

4、的抗火性能模擬。國內(nèi)3、研究方法及內(nèi)容方法 理論分析與數(shù)值模擬 試驗(yàn)研究 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)比，提出結(jié)論閱讀已有文獻(xiàn)及相關(guān)參考資料，掌握鋼材在高溫下的力學(xué)性能與物理特性，利用ABAQUS建立整體鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的模型，并進(jìn)一步提出子結(jié)構(gòu)模型。通過ABAQUS建立更加精細(xì)化的子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出子結(jié)構(gòu)的耐火極限，進(jìn)而提出多高層鋼結(jié)構(gòu)在局部受火時(shí)的破壞規(guī)律。3、研究方法及內(nèi)容內(nèi)容局部火災(zāi)作用下高層鋼結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律的分析火災(zāi)試驗(yàn)研究基于子結(jié)構(gòu)的高層鋼結(jié)構(gòu)耐火性能與破壞機(jī)理分析高層鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的分析，提出子結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)了四個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用高溫試?yàn)爐進(jìn)行火災(zāi)模擬，分別在不

5、同的受火部位進(jìn)行試驗(yàn)，研究模型在不同受火情況下的行為特征。子結(jié)構(gòu)的精細(xì)化數(shù)值模擬，對(duì)中間柱和邊柱的破壞機(jī)理及影響因素的分析局部梁、柱的屈曲破壞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的影響因素基于構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法的有效性與對(duì)比分析利用ABAQUS軟件對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)在局部火災(zāi)下進(jìn)行數(shù)值模擬分析4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（一）利用ABAQUS對(duì)不同層數(shù)的整體鋼結(jié)構(gòu)在局部火災(zāi)下的破壞規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。高層鋼結(jié)構(gòu)在局部火災(zāi)下破壞的數(shù)值模擬八層鋼結(jié)構(gòu)四層鋼結(jié)構(gòu)十二層鋼結(jié)構(gòu)著火房間位置4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（一）高層鋼結(jié)構(gòu)在局部火災(zāi)下破壞的數(shù)值模擬柱構(gòu)件溫升曲線梁構(gòu)件溫升曲線4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（一）高層鋼結(jié)構(gòu)在局部

6、火災(zāi)下破壞的數(shù)值模擬同一結(jié)構(gòu)：房間1著火時(shí)，外側(cè)鋼柱所受約束較少，變形大于內(nèi)側(cè)鋼柱。著火房間的變形破壞對(duì)結(jié)構(gòu)橫向的鄰間影響較大，對(duì)縱向的鄰間影響較小。次梁與縱向主梁為剛性連接，縱向主梁破壞時(shí)引起次梁產(chǎn)生過大變形而發(fā)生屈曲破壞。著火房間鋼柱的破壞導(dǎo)致其上層房間鋼柱發(fā)生過大變形而破壞。房間2著火時(shí)，鋼梁、鋼柱變形沒有房間1著火時(shí)大，著火房間的變形破壞對(duì)其周圍房間的影響比較均衡，對(duì)其上層結(jié)構(gòu)的影響主要是由著火房間鋼柱受火破壞產(chǎn)生的。不同結(jié)構(gòu)：八層與十二層結(jié)構(gòu)由于底層鋼柱所受荷載較大，發(fā)生火災(zāi)時(shí)其破壞比四層結(jié)構(gòu)要嚴(yán)重，且著火房間的變形與破壞對(duì)周圍房間的影響也較四層結(jié)構(gòu)大。房間1著火房間1著火房間2著火

7、房間2著火4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（一）房間1著火時(shí)鋼柱軸力圖房間2著火時(shí)鋼柱軸力圖結(jié)論：同一結(jié)構(gòu)，不同火場位置引起的周圍房間變形的不同主要取決于鋼柱與周圍構(gòu)件的約束情況；對(duì)于不同結(jié)構(gòu)，著火房間的破壞程度及破壞快慢主要取決于結(jié)構(gòu)等效至底層鋼柱的荷載大小。高層鋼結(jié)構(gòu)在局部火災(zāi)下破壞的數(shù)值模擬隨著溫度的升高，鋼柱受熱產(chǎn)生不均勻膨脹，上部結(jié)構(gòu)和地面對(duì)鋼柱的約束使得鋼柱內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。四層鋼結(jié)構(gòu)鋼柱軸力達(dá)到峰值的時(shí)間約為33分鐘，而八層和十二層到了約26分鐘時(shí)鋼柱軸力就達(dá)到了最大值。4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（二）結(jié)合前人做試驗(yàn)的結(jié)論，通過整體結(jié)構(gòu)的分析，研究其破壞類型。初始破壞大體分三種中間柱破壞鋼結(jié)構(gòu)

8、耐火性能的子結(jié)構(gòu)分析模型及分析方法邊柱破壞邊梁、邊柱同時(shí)破壞4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（二）為了確立不同破壞機(jī)制的子結(jié)構(gòu)模型，對(duì)一個(gè)10層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。中柱、梁受火時(shí)破壞變形圖鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的子結(jié)構(gòu)分析模型及分析方法對(duì)每一種破壞形式，假設(shè)初始破壞構(gòu)件受火而其他構(gòu)件不受火，進(jìn)行火災(zāi)熱力分析。4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（二）鋼結(jié)構(gòu)中間柱破壞規(guī)律的分析。影響因素上層樓層的約束影響上層樓層的荷載影響 約束影響下中柱軸力變化鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的子結(jié)構(gòu)分析模型及分析方法不同層數(shù)的結(jié)構(gòu)底層中間柱軸力變化曲線規(guī)律相同，約束剛度的不同導(dǎo)致柱最大軸向力不一樣；層數(shù)越多，約束剛度越大，最大軸力越大，3層以上與3層以下影響更

9、明顯。4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（二）鋼結(jié)構(gòu)中間柱破壞規(guī)律的分析。影響因素上層樓層的約束影響上層樓層的荷載影響鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的子結(jié)構(gòu)分析模型及分析方法約束和荷載影響下的中柱軸力變化不同層數(shù)的結(jié)構(gòu)底層中間柱軸力變化規(guī)律也相似，但層數(shù)越多，發(fā)生最大軸力的時(shí)間越提前，層數(shù)大于3層后的變化更明顯。4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（二）約束影響下邊柱軸力變化邊柱耐火極限變化圖邊柱破壞的規(guī)律的分析。鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的子結(jié)構(gòu)分析模型及分析方法最大軸力增大幅度較小，上部樓層的約束剛度較小，樓層剛度約束對(duì)邊柱的耐火極限影響進(jìn)一步減小。同中柱耐火極限規(guī)律類似，不同之處在于，六層以上邊柱耐火極限受荷載影響逐漸減小，趨于平緩。4、研

10、究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（二）中柱子結(jié)構(gòu)分析模型根據(jù)中間柱的破壞規(guī)律，將上部樓層的約束影響和荷載影響分開簡化考慮。選擇上部兩層柱作為受火柱的轉(zhuǎn)動(dòng)約束假設(shè)各層軸向剛度相同，K=Ki上部樓層荷載疊加，P=Pi邊柱破壞規(guī)律與中柱類似，不同之處：考慮邊梁，模擬邊柱破壞、邊柱和邊梁共同破壞兩種機(jī)制。樓層剛度約束對(duì)邊柱的耐火極限影響較減小，將上部樓層的約束剛度的影響去掉。邊柱子結(jié)構(gòu)分析模型鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的子結(jié)構(gòu)分析模型及分析方法4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（三）根據(jù)破壞機(jī)制設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jì)劃進(jìn)行四組試驗(yàn)。試驗(yàn)一試驗(yàn)二試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)三試驗(yàn)四4、研究目標(biāo)及進(jìn)展進(jìn)展（三）試驗(yàn)設(shè)計(jì)滾軸測(cè)力支座壓力傳感器柱子底截面軸力的量測(cè)：3個(gè)壓力傳感器都貼電阻應(yīng)變片（各4片），實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)定；試驗(yàn)中，將左側(cè)兩個(gè)壓力傳感器的電阻片串聯(lián)，給出反力R1，