局部火灾下凯威特-联方型弦支穹顶结构破坏模式分析

摘要

弦支穹顶结构是将单层网壳结构和索撑体系相结合形成的一种大跨度预应力空间钢结构，具有受力合理、充分发挥刚柔两种材料优势的特点，在实际工程中得到越来越多的应用。目前国内外对于弦支穹顶结构的研究主要是常温下结构的设计和施工方法，针对高温下结构力学性能的研究并不全面，而弦支穹顶结构中高强度预应力拉索的引入使得结构对于火灾的危害更为敏感，因此亟待对其抗火性能开展深入研究。本文以工程中常用的凯威特—联方型弦支穹顶结构为研究对象，主要进行了以下研究工作:
　　(1)采用基于非线性有限元理论开发的ANSYS数值模拟软件，参照实际工程中常用的几何尺寸，采用初始应变法张拉径索对下部索撑体系施加预应力，建立凯威特-联方型弦支穹项结构数值分析模型，对比已有工程实例确定所建立的结构数值分析模型的可靠性，明确矢跨比、预应力水平和外荷载对弦支穹顶结构力学特征的影响规律。
　　(2)采用ANSYS数值模拟软件，考虑结构的几何菲线性和材料非线性，以CECS200:2006中规定的压弯构件或拉弯构件高温承载力作为网壳杆件受火承载极限状态，以轴心压杆高温承载力作为撑杆受火承载极限状态，以高温抗拉强度极限作为钢拉索受火承载极限状态，按温度增量法，模拟高温下弦支穹顶结构的受火反应，分析均匀升温与非均匀升温时结构的力学响应及其破坏模式。
　　(3)制定弦支穹顶结构局部火灾下受火反应分析的参数方案，以温度场非均匀性、荷载比、火源特性、矢跨比和预应力水平作为关键参数对弦支穹项结构的受火反应进行数值分析，深入了解关键参数对凯威特—联方型弦支穹顶结构在局部火灾下变形特征、应力历程和临界温度的影响规律，定性得出弦支穹顶高温下的破坏模式，为进一步研究弦支穹顶结构的受火工作机理提供参考。
　　研究表明，火灾历程中，弦支穹顶结构的变形规律为整体先向上起拱然后向下塌落。火源半径对弦支穹顶结构的临界温度影响较小，温度场的非均匀性、荷载比、火源位置、矢跨比、预应力对结构临界温度影响较大。局部火灾中温度场的非均性越大，结构的临界温度越高;弦支穹项结构的荷载比越大，临界温度越低;火源距结构跨中位置越近，临界温度越高;随着弦支穹顶结构矢跨比的增大，临界温度增大;随着弦支穹顶结构常温下预应力的增大，临界温度越高。局部火灾下弦支穹顶结构的破坏模式主要有两种:外圈环索的受火极限承载力明显下降而成批发生受拉破坏或最外圈环杆的应力增长较大而产生较多环杆单元的破坏，最终导致整体结构失效。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 弦支穹顶结构的发展及工程应用

1．2．1 弦支穹顶的结构特征

1．2．2 弦支穹顶结构的应用

1．3 弦支穹顶结构研究现状

1．3．1 常温下研究现状

1．3．2 高温下研究现状及不足

1．4 研究内容及目标

第2章 弦支穹顶结构受火分析边界条件

2．1 荷载边界条件

2．2 大空间建筑火灾升温特征

2．2．1 大空间建筑火灾温度场分布

2．2．2 火源

2．3 材料高温特性

2．3．1 高温下钢材的热物理性能

2．3．2 高温下钢材的力学性能

2．3．3 高温下钢索的力学性能

2．4 本章小结

第3章 建立弦支穹顶结构的数值分析模型

3．1 弦支穹顶结构数值分析模型的建立及验证

3．1．1 单元的选取

3．1．2 预应力的模拟与形态分析

3．1．3 常温下数值模型可靠性验证

3．2 影响常温下弦支穹顶结构力学性能的关键参数

3．2．1 矢跨比的影响

3．2．2 预应力水平的影响

3．2．3 荷载比的影响

3．3 本章小结

第4章 弦支穹顶结构受火反应分析方法

4．1 弦支穹顶结构受火破坏准则

4．1．1 网壳构件的强度和稳定验算准则

4．1．2 索构件的强度验算准则

4．1．3 撑杆的强度与稳定验算准则

4．1．4 单元生死判断

4．2 弦支穹顶结构受火数值分析流程

4．2．1 火灾下弦支穹顶结构的承载力极限状态

4．2．2 火灾下弦支穹顶结构的力学响应数值分析流程

4．3 弦支穹顶结构高温下力学反应数值分析方案

4．3．1 温度场和荷载比参数方案

4．3．2 几何参数方案

4．3．3 火源特性

4．4 本章小结

第5章 火灾下弦支穹顶结构力学反应参数分析

5．1 均匀升温下结构受力性能分析

5．1．1 均匀升温历程中结构的变形规律

5．1．2 均匀升温历程中网壳杆件轴力

5．1．3 均匀升温历程中撑杆内力

5．1．4 均匀升温历程中环索和径索应力

5．2 温度场非均匀性对结构力学特征的影响

5．2．1 温度场非均匀性对结构变形的影响

5．2．2 温度场非均匀性对结构单元应力历程的影响

5．3 荷载比对结构力学特征的影响

5．3．1 荷载比对结构变形规律的影响

5．3．2 荷载比对结构单元应力历程的影响

5．3．3 荷载比对结构临界温度和破坏模式影响

5．4 火源特性对结构力学特征的影响

5．4．1 火源面积对结构破坏模式的影响

5．4．2 火源位置对结构破坏模式的影响

5．5 结构的几何特征对受火破坏模式的影响

5．5．1 矢跨比对结构变形规律的影响

5．5．2 矢跨比对单元应力历程的影响

5．5．3 矢跨比对结构临界温度和破坏模式的影响

5．6 预应力水平对结构破坏模式的影响

5．6．1 预应力水平对结构变形规律的影响

5．6．2 预应力水平对单元应力历程的影响

5．6．3 预应力水平对结构临界温度和破坏模式的影响

5．7 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 对弦支穹顶结构抗火性能研究的展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢