室内火灾下钢框架结构的响应特性数值模拟分析

摘要

科学技术的进步和经济社会的快速发展，推动了钢结构在建筑工程中的广泛应用。同时，近年来建筑火灾事故频发，造成的伤亡损失愈发惨重。因此在大力推广应用钢结构的过程中，研究钢结构在室内火灾环境下的热结构响应情况显得越来越重要并且十分必要。　　本文采用一种将结构性能化抗火设计与有限元分析相结合的方法，来探讨钢框架在室内火灾作用下的热结构响应状态，这样既可以得出较为直观准确的火灾分析参数，又可以得到钢结构在火灾全过程中的响应状态。本文中以钢框架结构为研究对象，通过使用火灾场模拟软件FDS模拟不同火灾场景下室内火灾发展的过程，得到室内空间不同区域的温度随时间的变化情况，并通过布设在室内空间不同位置的温度测点拟合得到最不利火灾场景下的室内火灾升温曲线；通过归纳总结国内外相关规范对高温下钢材的热工性能及力学性能参数的取值并结合本文分析实际选取，采用通用有限元分析程序ANSYS对受火框架内的温度场进行模拟计算，得到了构件截面的温度分布，并与标准升温条件下的同一位置的温度值进行对比，讨论了二者差异；然后对钢框架整体在不同跨度受火时的结构响应情况进行模拟分析，得到结构整体的应力、变形与位移等变化情况，并与标准升温条件下的模拟结果进行比较；最后对厚涂型防火涂料的组合梁进行了传热分析，讨论防火涂层对钢构件截面温度分布的影响，并分析了防火涂料厚度对组合梁截面温度分布的影响，得到了组合梁截面的最大温度数值，进而判断涂层厚度对构件升温效应的影响程度。　　通过上述分析，得到以下结论：（1）室内火灾时的温度场分布受多种因素影响，火源位置对室内温度场的分布影响很大，并且室内空间的温度分布很不均匀；（2）采用FDS模拟室内火灾的全过程，能得到更接近于实际火灾的室内温度场分布状况，而标准升温曲线则与实际火灾升温过程差别较大；（3）受火钢框架的梁柱节点处应力最大，容易发生破坏，是结构抗火的薄弱部位，需予以加强保护措施；（4）不同跨度受火对钢框架整体的结构响应有一定影响，边跨受火时，底层柱顶端的水平侧移值较中跨受火时要大，而梁的跨中挠度值较中跨受火时相对小一些；（5）升温条件对钢框架内的温度场分布和结构整体响应影响显著，与标准升温条件相比，室内火灾升温条件下钢框架在各时刻的温度值都要低一些，并且受火构件的变形位移值也相对较小，结构整体的耐火时间更长；（6）防火涂层对组合梁构件受火时的保护作用十分显著。与无防火涂层的组合梁相比，有防火涂层时其截面温度值大幅下降，并且温升速率也明显减缓；（7）防火涂层越厚，组合梁截面的最高温度值越低，但随着防火涂层厚度的不断增加，温度降低的幅度逐渐减小。因此，持续增加防火涂层的厚度并不能大幅度降低组合梁截面的温度，而且涂层越厚反而会加大钢构件的自重荷载，并增加工程成本和施工难度。　　希望本文的研究工作能为今后钢结构的火灾响应特性研究提供一些有益的探索和参考。

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第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 结构抗火设计方法

1.3 国内外研究进展

第二章 火灾中的传热学理论及钢材的高温特性

2.1火灾中的传热学理论

2.2高温下钢材的热物理特性

2.3高温下钢材的力学性能

2.4本章小结

第三章 局部火灾时的室内温度场分析

3.1 FDS简介

3. 2室内火灾计算模型

3.3火灾场景设定

3.4室内火灾温度场模拟结果分析

3.5本章小结

第四章 室内火灾下钢框架的热结构响应分析

4.1耦合场分析

4.2基本计算假定

4.3 钢框架计算模型

4.4钢框架的温度场分析

4.5 钢框架整体的结构响应分析

4.6本章小结

第五章 钢结构防火涂料的优选应用

5.1防火涂料的作用原理

5.2防火涂料的分类及性能

5.3防火涂层对钢构件升温影响的数值分析

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者读研期间主要科研成果