整体钢框架中梁柱抗火性能的研究

发布时间：2020-02-13 06:26

【摘要】：钢结构不耐火成为人们的共识，大量钢结构火灾案例表明整体结构中构件在火灾中会产生很大的变形甚至局部破坏，但整体结构没有丧失承载能力。这种现象与目前钢构件抗火性能的研究结果不相符，目前国内还未见有对整体钢结构中的构件进行抗火性能的研究报道。本文在国家重点基础研究发展规划项目“空间火灾蔓延对钢框架结构的影响”（批准号:2001CB40960310）和国家自然科学基金项目“结构构件火灾时声发射和振动特性的试验研究”（批准号:50878069）的资助下，搭建了3×3跨3层足尺整体钢框架楼，框架楼一层层高3500mm，二、三层层高3000mm，柱距4500mm，现浇混凝土楼板厚120mm。在整体结构中对不同位置的钢梁、钢柱进行恒载下的抗火性能试验研究和有限元模拟分析，并对局部火灾下梁板的声发射特性和振动特性进行了分析。主要研究内容如下：（1）钢框架楼中钢梁试验研究对钢框架楼中单跨边梁、中跨梁、两跨连续梁、三跨连续梁分别进行恒载作用下的抗火性能试验研究。试验全过程测量了火场空气温度、钢梁和楼板不同位置截面温度场分布规律、钢梁和楼板的挠曲变形等内容，考察了钢梁和楼板的破坏形态。试验结果表明：钢梁上翼缘与火场温度存在明显温差，同一截面钢梁温度与楼板混凝土温度存在较大温差；试验开始楼板表面首先产生许多裂缝；钢梁先产生向下竖向变形，在升温过程中向下的变形开始减小，恢复到试验前初始位置后产生向上变形；钢梁上下翼缘焊缝在降温阶段开裂；在火灾全过程中，钢梁与现浇混凝土楼板没有脱开，共同受力和变形。在各种工况下钢梁经历900℃以上温度，升温时间120min左右，钢梁没有发生扭转变形而丧失承载能力，呈现出良好的抗火性能。（2）钢框架楼中钢柱试验研究对钢框架楼中单面受火边柱、三面受火边柱、中柱、角柱分别进行恒载作用下的抗火性能试验研究。试验中测量了火场空气温度、钢柱不同截面温度场分布、钢柱不同截面侧向变形、钢柱轴向变形，钢柱顶楼板混凝土温度等，考察了相临钢梁的变形情况、钢柱的破坏形态。试验结果表明：四面受火、梁柱节点受火的中柱在升温76min内未产生明显轴向膨胀变形，之后轴向变形产生突变。其它各工况试验轴向变形首先产生膨胀，在升温阶段膨胀变形减小，最后产生压缩变形，角柱在降温阶段膨胀变形开始减小；钢柱侧向变形在火灾中产生反向；四面受火钢柱产生扭转破坏；单面受火边柱和角柱钢柱没有产生明显破坏；各种工况下，不论钢柱在火灾过程中是否发生破坏，结构未发生倒塌现象。（3）钢框架楼中梁、柱非线性有限元模拟分析试验研究无法全方位跟踪测试整体结构中构件在火灾中的行为，有限元模拟分析可以弥补这个不足。本文考虑材料非线性和几何非线性，采用增量方法建立了应力增量和应变增量的关系，运用ANSYS有限元软件建立了考虑楼板作用和整体效应的钢梁、钢柱抗火性能分析的模型，结果表明：有限元分析的构件截面温度场、钢梁挠曲变形、钢柱轴向变形以及侧向变形与试验结果吻合，表明建立的有限元分析模型是合理可行的，能够对其它工况的梁柱进行模拟分析。（4）钢框架楼中火灾时梁板声发射特性研究利用声发射仪器对火灾作用下梁板的声发射现象进行了监测。监测了火灾过程中声发射事件率、能量率和b值的变化情况，分析了各参数变化与楼板裂缝、钢梁变形等现象的关系。结果表明：事件率、能量率的变化与宏观裂缝的发生和发展密切相关，b值可以较准确的反映框架楼中钢梁受火时声发射信号的强烈程度，判断梁、板在火灾作用下所处的状态；钢梁变形在增长过程中会产生大量的声发射信号，在变形恢复过程中信号数有所减弱；声发射事件中小于80db的事件占全部事件的90%以上，能量只在50%左右，对能量释放起主要作用的是那些只占10%的事件数。（5）钢框架楼中火灾时梁板振动特性研究利用振动设备对火灾作用下梁板的加速度进行了全程监测。并利用Fourier变换对加速度进行了分析，结合数值计算，对整体结构中梁板的振动进行了分析。结果表明：整体结构中单跨钢梁频率绕20Hz波动，两跨连续梁振动频率低于20Hz，随试验的进行，整体结构的刚度减小，振动频率出现波动式减小，振动特性的研究可以为结构的倒塌预警提供一定的理论依据。
【图文】：

世贸,双塔楼,大火,纽约

图 1-1 纽约世贸双塔楼大火Fig.1-1 Fire of WTC twin towers构具有施工速度快，承载力高，抗震性能好等许多优点，在多高层筑中得到推广使用，取得了良好的经济效益和社会效益。“9.11”事对钢结构是否适合在建筑中采用提出质疑，，有些人甚至持否定态度用钢结构的建筑物改用其它结构形式，一些建成的建筑物也加大了。认为火灾作用下，钢材强度和弹性模量降低，当温度达到 600℃时承受荷载的强度和刚度。建筑火灾在短时间内无法控制火势而使一般裸露钢构件在火灾中极易发生破坏，其耐火极限仅为 15min 设计规范根据建筑物的重要性确定构件的耐火等级，根据构件的构采取防火保护措施，而不考虑结构抵抗火灾的能力。这种“处方法简单，便于工程应用。建筑构件的耐火等级是根据标准耐火验中不考虑实际结构的受力和构件端部约束。大量的火灾案例和21]：承受不同荷载和约束的结构构件在火灾中的行为截然不同，特相临构件的约束作用更是标准试验无法模拟的；根据构件耐火极

栓钉,钢梁,节点图

5454图2-2 钢梁顶栓钉详图Fig.2-2 Stud detail above steel beam图2-3 钢梁节点图Fig.2-3 Joint of steel beam
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU391;TU352.5

【参考文献】