大跨度索穹顶结构耐火性能数值模拟与研究

摘要

火灾高温下钢结构的承载能力会发生显著衰减，有发生局部倒塌的危险。针对索穹顶结构在火灾高温下力学性能研究较少，本文针对Geiger式和复合式索穹顶结构在火灾高温工况下的力学特征进行分析研究；利用基于理论计算的大跨度钢结构耐火设计分析方法进行结构高温力学响应分析，研究该方法存在的不足并对其进行改进，达到根据提供不同的耐火极限要求，确定不同的结构防火措施的目的。研究内容及得到结论如下： 1.研究分析了现有基于实验的构件耐火设计方法的优点和局限性，引入更为先进的基于计算的钢结构耐火设计分析方法，并提出了本文需要解决的重点问题。阐述了基于计算的钢结构耐火设计分析方法的基本原理。 2.通过高大空间火灾升温公式计算火灾温度场，利用ANSYS软件研究Geiger式和复合式索穹顶结构在火灾高温工况下的力学特征，共进行了47个算例运算，研究表明，Geiger式和复合式索穹顶在火灾高温工况下的竖向位移相较常温增加35%和59%。 3.利用ANSYS软件进行分析对比得到，火源位置和火源功率的变化对于Geiger式索穹顶和复合式索穹顶的力学性能影响较大，而火源燃烧速率、火源单位面积释热功率两个参量的变化对索穹顶结构力学性能影响很小。研究在索穹顶结构进行静力分析时考虑火灾偶然荷载、火源不同位置、火源不同功率的必要性，并给出相应建议。 4.利用Pyrosim软件进行火灾温度场的精确分析，设置三种典型火灾场景，探究天津理工大学体育馆在火灾进行时的温度场特征。通过ANSYS软件分析，研究复合式索穹顶结构在精确的火灾温度场中的力学响应特征，研究表明，不涂覆防火涂料的复合式索穹顶结构，达不到结构耐火承载能力的要求。按照《建筑防火设计规范》的构件防火要求，对结构涂覆1.21mm的超薄型防火涂料，结构达到耐火承载力要求。随之对于复合式索穹顶结构的防火措施进行改进，建议针对天津理工大学新建体育馆实际工程，防火涂层可以减小至1mm。

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摘 要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 大跨度空间钢结构的发展

1.1.2 火灾对于大跨度空间钢结构的危害

1.1.3 目前大跨度空间钢结构耐火设计方法以及局限性

1.1.4 基于计算的钢结构耐火设计分析方法的提出

1.2 基于计算的钢结构耐火设计分析方法国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 研究中待解决的问题

本文的研究内容

第2章 基于计算的大跨度钢结构耐火设计分析方法的基本原理

2.1 火灾发展过程中的传热

2.1.1 火灾发展的三个阶段

2.1.2 火灾发展过程中传热的基本方式

2.2 高大空间建筑火灾温度场模拟的基本方法

2.3 高大空间建筑火灾非均匀温度场模拟的基本原理

2.3.1 场模型模拟方法的基本原理

2.3.2 高大空间火灾升温公式方法的原理

2.4 高大空间建筑火灾温度场模拟参数的选择

2.4.1 火源的位置

2.4.2 火源释热功率

2.4.3 火源燃烧速率

2.4.4 火源的单位面积释热功率

2.5 高大空间建筑火灾温度场模拟的可靠性证明

2.5.1 Pyrosim软件简介

2.5.2 Pyrosim软件模拟火灾温度场的可靠性

2.5.3 高大空间火灾升温公式的可靠性

2.6 大跨度钢结构火灾高温数值分析基本原理

2.6.1 火灾高温荷载偶然组合

2.6.2 大跨空间结构火灾高温非线性分析的原理

2.6.3 火灾高温下结构构件材料特性

2.7 基于计算的大跨度钢结构耐火设计分析的基本流程

2.8 本章小结

第3章 索穹顶结构火灾高温力学响应分析与参数分析

3.1 索穹顶结构数值模型的建立

3.1.1 Geiger式索穹顶结构数值模型的建立

3.1.2 复合式索穹顶结构数值模型的建立

3.2 索穹顶结构常温静力分析

3.2.1 Geiger式索穹顶结构常温静力分析

3.2.2 复合式索穹顶结构常温静力分析

3.3 索穹顶结构火灾高温力学特性

3.3.1火灾温度场设置

3.3.2 Geiger式索穹顶结构火灾高温力学特性

3.3.3复合式索穹顶结构火灾高温力学特性

3.4 火源参数变化对于Geiger式索穹顶结构力学性能的影响

3.4.1 火源位置的影响

3.4.2 火源功率的影响

3.4.3 火源燃烧速率的影响

3.4.4 火源的单位面积释热功率的影响

3.5 火源参数变化对于复合式索穹顶结构力学性能的影响

3.5.1 火源位置的影响

3.5.2 火源功率的影响

3.5.3 火源燃烧速率的影响

3.5.4 火源的单位面积释热功率的影响

3.5.5 Geiger式索穹顶与复合式索穹顶火灾高温响应对比

3.6 本章小结

第4章 复合式索穹顶耐火承载能力分析与防火措施改进

Pyrosim软件火灾温度场计算模型设置

4.1.1 天津理工大学新建体育馆模型的建立

4.1.2 复合式索穹顶结构数值模型荷载的施加

4.1.3 体育馆模型火源参数的选取

4.2 Pyrosim软件火灾温度场分析结果

4.2.1 场景一火灾温度场分析结果

4.2.2 场景二火灾温度场分析结果

4.2.3 场景三火灾温度场分析结果

4.2.4 三个场景部分测点温度——时间关系

4.3 不同火灾场景下复合式索穹顶结构的响应规律

4.3.1 不同火灾场景下复合式索穹顶结构的位移响应

4.3.2 不同火灾场景下复合式索穹顶结构构件的应力响应

4.3.3 两种非均匀温度场模拟方法结构响应差异分析

4.4 不同火灾场景下复合式索穹顶结构耐火承载能力分析

4.4.1 未采用防火保护的结构耐火承载能力分析

4.4.2 采用防火保护的结构耐火承载力分析

4.5 复合式索穹顶结构防火措施改进

4.5.1 结构耐火极限承载能力改进目标与实现途径

4.5.2 复合式索穹顶结构防火涂层厚度改进

4.6 ANSYS软件数值模拟计算结果正确性验证

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢