钢框架结构整体抗火性能的数值分析

摘要

钢结构具有强度高、重量轻、塑性和韧性好、施工进度快等特点，它适用于各种工程结构。但随着钢结构建筑的发展，随之而来的是防火保护问题日趋突出。钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，其耐火极限仅为15min。目前国内外的钢结构抗火性能研究主要采用构件的抗火分析与设计，这种方法很难模拟火灾发生时整体结构的全过程反应。而通过数值计算对结构整体进行抗火性能研究则可以合理的确定钢结构抗火极限及防火保护措施。 本文针对钢结构抗火研究中存在的一些问题，首先按照传热学原理，对平面钢框架进行热—结构耦合分析，就不同层不同房间火灾下对整体结构的抗火极限的影响进行分析比较，判断其在火灾下的薄弱环节；其次根据天津大胡同商业街建筑建立三维钢框架模型。分析不同房间火灾下对结构的抗火极限的影响，并分析构件有无防火保护情况下火灾下对结构的抗火极限的影响。楼板整体受力区域如果能够承受火灾下外荷载，验证整体受力区域中所有次梁(钢粱)都可以不涂防火涂料。同时分析由于梁挠度的增长而产生的悬链线效应对整体抗火极限的影响。最后考察了火灾时薄膜效应对整体钢框架结构的影响，更加真实地反映了钢框架结构整体抗火性能。 本文对钢框架结构进行整体数值分析，将结构的瞬时温度状况和结构的火反应一体化，更好地反映实际情况，对结构抗火的理性化设计提出了实际建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 问题的提出

1.2 研究现状分析

1.2.1 被动防火设计方法

1.2.2 主动抗火设计方法

1.3 现存问题及论文主要研究工作

1.3.1 现存问题

1.3.2 论文主要内容

第二章 传热学基本原理及计算方法

2.1 传热学基本原理

2.2 热传导分析的计算方法—有限元法

2.2.1 稳态热传导的有限单元法

2.2.2 瞬态热传导分析的有限单元法

第三章 高温下结构材料特性

3.1 高温下结构钢的物理特性

3.1.1 热膨胀系数

3.1.2 导热系数

3.1.3 比热容

3.1.4 钢的密度

3.2 高温下结构钢的力学特性

3.2.1 钢的泊松比

3.2.2 应力-应变关系

3.2.3 初始弹性模量

3.2.4 屈服强度

3.3 高温下混凝土热物理特性

3.3.1 混凝土的热传导系数

3.3.2 混凝土的比热容

3.3.3 混凝土的热膨胀系数

3.4 高温下混凝土的力学特性

3.5 室内火灾升温曲线

第四章 平面钢框架整体极限状态分析

4.1 计算模型及基本假定

4.1.1 计算模型

4.1.2 基本假定

4.2 温度场分析

4.2.1 分析方法

4.2.2 加载与求解

4.3 结构场分析

4.3.1 抗火极限状态的判别

4.3.2 加载与求解

4.4 结论

第五章 三维钢框架整体抗火数值分析

5.1 计算模型及基本假定

5.1.1 计算模型

5.1.2 基本假定

5.2 荷载效应组合方式

5.3 温度荷载

5.3.1 梁柱温度荷载

5.3.2 混凝土板的温度荷载

5.4 破坏准则

5.5 火灾下钢框架整体抗火数值分析

5.5.1 火灾发生在不同层房间整体抗火性能分析

5.5.2 采取不同保护措施时整体抗火性能分析

5.6 悬链线效应

5.6.1 悬链线效应定义

5.6.2 悬链线效应分析

5.7 火灾中楼板的薄膜效应

5.7.1 薄膜效应现象

5.7.2 楼板产生薄膜效应的前提条件

5.7.3 薄膜效应的机理

5.7.4 楼板薄膜效应的理论模型

5.8 结论

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢