预应力索杆协同网架结构抗火性能研究

摘要

预应力索杆协同网架结构是一种上弦和腹杆为刚性杆件，下弦杆件被替换为预应力拉索的新型空间结构。多用于商场、学校等人员密集的建筑物，该结构若发生火灾，在人员安全撤离前发生坍塌，将造成大规模的人员伤亡和重大的财产损失。目前对于预应力索杆网架的研究主要集中在结构的静动力特性及设计方法和施工方法上。因此，有必要对预应力索杆协同网架的抗火性能进行研究，以确保其在火灾下具有足够的安全性。
　　 首先，本文分别采用ISO-834标准升温曲线和实用大空间升温经验公式对室内火灾温度场进行模拟，运用MATLAB得出构件的升温曲线，同时考虑预应力索的高温蠕变，然后在ANSYS中进行热结构耦合计算。标准升温曲线下结构在12.6分钟达到耐火极限；大空间升温下结构在1小时火灾下仍处于安全状态。同时研究了跨中位移、不利构件的内力随时间的变化规律，以及高温蠕变对结构反应的影响。研究表明高温蠕变对结构的抗火反应影响很小，大空间升温曲线可以更接近预应力索杆协同网架结构火灾下的实际响应。
　　 其次，详细分析了结构的跨度、高跨比、节点荷载、支座条件、初始预应力等参数和火灾发生位置、防火保护等因素在大空间升温曲线下对预应力索杆协同网架结构抗火性能的影响，总结了各参数变化时结构杆件内力及节点位移的变化规律，得到了合理的设计参数取值范围，为该结构的设计提供有价值的参考。
　　 最后，本文对比了普通网架和预应力索杆协同网架的抗火性能，得出一小时大空间升温下，两者的抗火能力差异不大，变形上普通网架大一些。
　　 综上所述，本文针对预应力索杆协同网架结构，采用两种典型的室内火灾升温公式对抗火反应进行分析，研究了预应力索杆协同网架结构的抗火性能及其影响因素，对实际工程具有一定指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究意义

1.2 预应力索杆协同网架结构研究现状

1.3 钢结构抗火理论研究现状

1.3.1 室内火灾的升温过程

1.3.2 结构构件内部升温过程

1.3.3 钢结构在高温下的材料性能研究

1.3.4 钢构件的抗火性能试验与理论研究

1.3.5 钢结构整体抗火性能研究

1.4 现存问题及本文的主要工作

1.4.1 现存的问题

1.4.2 本文的主要工作

第2章 高温下材料性能选取及热结构耦合计算

2.1 钢材的热物理性能

2.1.1 热膨胀系数

2.1.2 比热容

2.1.3 导热系数

2.1.4 钢材的质量密度

2.2 钢材的热力学性能

2.2.1 泊松比

2.2.2 弹性模量

2.2.3 屈服强度

2.2.5 应力-应变关系模型

2.2.6 高温下钢绞线的材料性能

2.2.7 钢材的高温蠕变

2.3 室内火灾升温模拟

2.3.1 室内火灾的升温过程

2.3.2 室内火灾的模拟化

2.3.3 室内火灾温升曲线

2.3.4 本文升温曲线的选择

2.4 热结构耦合分析

2.4.1 钢构件的温度场

2.4.2 温度结构耦合计算

2.5 本章小结

第3章 标准升温曲线下预应力索杆协同网架结构抗火性能分析

3.1 计算模型和分析方法

3.1.1 计算模型

3.1.2 标准升温曲线模型

3.1.3 基本假定

3.2 结构标准升温抗火性能分析

3.2.1 破坏准则

3.2.2 荷载效应组合方式

3.2.3 结构在火灾下的变形分析

3.2.2 结构在火灾下的内力分析

3.2.3 蠕变影响分析

3.3 本章小结

第4章 大空间升温下的预应力索杆协同网架结构抗火性能分析

4.1 引言

4.2 计算模型及分析方法

4.2.1 计算模型

4.2.2 空气升温曲线

4.2.3 计算方法

4.2.4 火灾下分析流程

4.3 整体火灾下分析结果

4.3.1 位移反应分析

4.3.2 应力反应分析

4.3.3 应变分析

4.4 本章小结

第5章 预应力索杆协同网架结构抗火性能参数分析

5.1 引言

5.2 结构各参数的影响

5.2.1 跨度对抗火性能的影响

5.2.2 高跨比对抗火性能的影响

5.2.3 节点荷载对抗火性能的影响

5.2.4 支座条件对抗火性能的影响

5.2.5 初始预应力对抗火性能的影响

5.3 火灾发生位置对抗火性能的影响

5.4 耐火保护

5.5 普通网架和协同网架抗火性能对比

5.5.1 结构模型

5.5.2 升温曲线

5.5.3 结构反应

5.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢