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建筑结构学报 2023年第10期44卷 146-155页

作者：陈伟刘康叶继红尹亮姜健秦雅菲中国矿业大学徐州市工程结构火安全重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室江苏徐州221116 应急管理部天津消防研究所消防规范研究室天津300381 宝山钢铁股份有限公司上海201900

为解决普通轻钢结构抗火性能差、推广应用受限等问题,设计制作18片足尺冷成型钢复合墙体,开展墙体常温轴压与承重抗火试验研究,考察覆板构造、高吸水树脂(SAP)保温材料、热膨胀荷载等因素对墙体耐火性能的影响,提出相关抗火设计建议。... 详细信息

为解决普通轻钢结构抗火性能差、推广应用受限等问题,设计制作18片足尺冷成型钢复合墙体,开展墙体常温轴压与承重抗火试验研究,考察覆板构造、高吸水树脂(SAP)保温材料、热膨胀荷载等因素对墙体耐火性能的影响,提出相关抗火设计建议。结果表明:墙体因初始荷载比率、覆面板材的差异呈现两类受火破坏模式,即墙柱端部全截面压屈破坏和墙柱热翼缘局部屈曲进而发生墙柱向背火侧弯曲破坏;考虑膨胀约束后的墙柱轴压承载力最大提高幅度可达162%,明显加快高温承载力的退化速率,其耐火极限减小,建议复合墙体作为非承重隔墙使用时,其墙体顶端与相应楼盖接触面之间应留有至少10 mm的轴向膨胀间隙;墙柱受火失效临界温度不仅与初始荷载比率、墙体覆板与填充层构造密切相关,墙柱热翼缘宽厚比和温度膨胀约束等因素影响亦不可忽略,建议将墙柱受火失效临界温度与墙柱受火温升简化计算方法相结合,实现复合墙体高效抗火设计;通过在墙体墙柱中加入SAP保温材料,可进一步提升墙体抗火性能;当有耐火需求较高时,推荐采用蒸压加气混凝土板和波特板覆板的外置保温单C89形截面墙柱构造,其在中等初始荷载比率0.55条件下,可以达到我国GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中多高层建筑结构承重墙一级耐火等级的耐火极限(不低于3 h)要求。

关键词：冷成型钢复合墙体覆面板材 SAP保温材料足尺抗火试验热膨胀荷载

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冷成型钢复合墙体带拼缝传热仿真及耐火性能提升研究

冷成型钢复合墙体带拼缝传热仿真及耐火性能提升研究

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作者：高亮中国矿业大学

学位级别：硕士

冷成型钢结构具有经济指标好、施工便利和节能环保等特点,有利于推进绿色建筑产业化的发展。耐火性能是冷成型钢结构亟需解决的重要问题,也是相关领域国内外学者的重要研究方向。内填充作为一种常见的冷成型钢承重复合墙体构造,空腔填... 详细信息

冷成型钢结构具有经济指标好、施工便利和节能环保等特点,有利于推进绿色建筑产业化的发展。耐火性能是冷成型钢结构亟需解决的重要问题,也是相关领域国内外学者的重要研究方向。内填充作为一种常见的冷成型钢承重复合墙体构造,空腔填充层会对其龙骨受火力学性能产生不利影响。此外,受到墙板尺寸的限制,墙体钢龙骨外侧不可避免的会存在拼缝。然而,板材拼缝受火后会逐渐敞开直至墙板脱落,严重影响复合墙体的耐火性能。鉴于此,本文针对冷成型钢复合墙体的填充层布置以及拼缝构造的影响机理开展研究,涉及冷成型钢复合墙体耐火性能提升以及受火传热模拟、带拼缝冷成型钢复合墙体耐火试验、试验炉-复合墙体物理空间流热耦合仿真等几个方面,主要研究内容及结论如下:建立了常规的冷成型钢复合墙体受火传热模型,针对填充层的布置方式进行参数研究,结合工程实际,给出优化的填充层布置方式,并开展2片中等尺寸墙体耐火试验进行验证。研究结果表明:(1)常规的冷成型钢复合墙体受火传热模拟方法适用于无填充、内填充以及外填充等不同构造形式的墙体,并且对于ISO834标准火灾、室外火灾、碳氢火灾以及真实火灾环境的模拟均有效;(2)提出了龙骨无填充这一新型墙体构造,相较于空腔全填充墙体,其龙骨热翼缘的受火温升更慢,同时冷热翼缘之间的温差明显更小,因此,龙骨无填充墙体的耐火性能优于空腔全填充墙体;例如:在0.27荷载比率下,龙骨无填充墙体的耐火极限相较于空腔全填充墙体提升了11.5%左右;(3)龙骨无填充墙体的施工比空腔全填充墙体更为简便,日常使用中保温性能也并未受到构造形式的影响,建议在内填充冷成型钢复合墙体中采用龙骨无填充构造来代替空腔全填充构造。开展了6片带拼缝的中等尺寸冷成型钢复合墙体耐火试验,定量考察了三种拼缝形式以及两种拼缝宽度对墙体温升的影响,量化了拼缝受火发展的同时给出了复合墙体受火时的薄弱部位。研究结果表明:(1)各试件拼缝均随受火进行逐渐敞开,敞开幅度与初始拼缝宽度无明显关联,给出了随受火时间和石膏板温度变化的拼缝发展曲线,可用于复合墙体受火传热精细化仿真;(2)在相同拼缝构造下,龙骨热翼缘进入快速升温阶段的时间随初始拼缝宽度的增大而加快,当贯通拼缝的初始拼缝宽度超过5mm时,龙骨热翼缘温升不随初始拼缝宽度变化出现显著差异;(3)相较于外层拼缝和贯通拼缝构造,内层拼缝构造对墙体隔热性能和受火力学性能的不利影响最小;因此,对于采用错缝构造的冷成型钢承重复合墙体,外层墙板拼缝处对应的墙体立柱易于首先发生受火屈曲破坏,成为墙体中的薄弱部位;(4)外层拼缝和贯通拼缝周围墙板温度均明显低于墙体受火面的温度,因此,拼缝处墙板在模拟中采用与墙体受火面相同的热边界条件将过于保守。基于CFD建立了考虑拼缝实时变化的试验炉-复合墙体物理空间流热耦合仿真模型,依据带拼缝墙体的耐火试验结果验证了模型的有效性,并通过参数分析研究了拼缝尺寸、拼缝构造措施以及螺钉对墙体的受火传热影响。研究结果表明:(1)对于外层拼缝和内层拼缝构造,拼缝宽度越大,龙骨热翼缘进入快速升温阶段之后的升温速率越小,对于贯通拼缝构造,拼缝超过0.5mm便会明显加快龙骨热翼缘的温升;(2)对于无填充和内填充墙体,当其外层拼缝分别小于7mm和3mm,内层拼缝分别小于12mm和7mm,拼缝对墙体龙骨温升没有明显影响;(3)可采取错缝布置来避免贯通拼缝,从经济性角度出发,可在拼缝处附加钢带削弱拼缝敞开对墙体耐火性能的不利影响,建议按照翼缘宽度取值,拼缝处附加钢带之后,4～5mm左右的贯通拼缝对墙体龙骨温升没有明显影响;(4)螺钉对墙体的不利影响是一种局部作用,能够明显加快距螺钉中心两倍螺帽范围内墙板的温升。本文创新点如下:提出龙骨无填充这一优化的墙体空腔填充层布置方式,改善了内填充冷成型钢承重复合墙体的抗火性能;提出试验炉-复合墙体物理空间流热耦合仿真模型的建模方法,定量揭示了拼缝以及拼缝构造措施对冷成型钢复合墙体耐火性能影响的作用机理和规律。

关键词：冷成型钢复合墙体传热模拟填充层布置方式墙板拼缝拼缝构造物理空间流热耦合

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冷成型钢复合墙体受火传热模拟研究

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重庆建筑 2022年第6期21卷 59-63页

作者：丁铁军高亮广西建工集团第七建筑工程有限责任公司江苏南京210000 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

近年来,冷成型钢结构在我国不断推广和应用,耐火性能是此类结构防火设计的重要指标,受到研究人员广泛关注。此类结构的竖向构件冷成型钢复合墙体通常由钢龙骨和覆面板材组合而成,覆面板材对于延缓龙骨温升至关重要,而开展耐火试验来研... 详细信息

近年来,冷成型钢结构在我国不断推广和应用,耐火性能是此类结构防火设计的重要指标,受到研究人员广泛关注。此类结构的竖向构件冷成型钢复合墙体通常由钢龙骨和覆面板材组合而成,覆面板材对于延缓龙骨温升至关重要,而开展耐火试验来研究复合墙体的耐火性能相对耗时费力。该文针对不同构造形式的墙体建立受火传热模型,通过与国内外学者开展的不同火灾环境下墙体的试验结果进行对比,验证了模型对于不同火灾环境的适用性;此外,针对内填充墙体的数值仿真提出了一种更符合工程实际的模型构造形式,可为设计人员提供方便。

关键词：冷成型钢复合墙体耐火性能传热模拟火灾环境

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冷成型钢承重复合墙体震后抗火试验研究

冷成型钢承重复合墙体震后抗火试验研究

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作者：王强中国矿业大学

学位级别：硕士

冷成型钢房屋建筑作为一种新型建筑结构体系,具有用钢量少、抗震性能好、绿色环保、施工效率高等优点,在国内应用已越来越多,其抗火性能一直是冷成型钢结构研究的重点。与此同时,多灾害耦合研究是当前土木工程防灾的研究热点,而地震次... 详细信息

冷成型钢房屋建筑作为一种新型建筑结构体系,具有用钢量少、抗震性能好、绿色环保、施工效率高等优点,在国内应用已越来越多,其抗火性能一直是冷成型钢结构研究的重点。与此同时,多灾害耦合研究是当前土木工程防灾的研究热点,而地震次生火灾是人类面临的最常见的次生灾害之一。作为冷成型钢房屋建筑的主要抗侧及竖向分隔构件,研究冷成型钢复合墙体带损伤状态下的抗火性能,对冷成型钢结构建筑的抗火设计具有重要意义。本文针对双层墙板覆面的冷成型钢承重复合墙体进行了震后抗火性能研究,主要内容如下:1、对3片采用不同截面龙骨组合形式的双层石膏板覆面的冷成型钢复合墙体开展常温轴压试验研究,并进行了设计公式的校核以及数值模拟分析,结果表明:a.冷成型钢复合墙体立柱端部带加劲肋和导轨带卷边对墙体轴向极限承载力的提高幅度并不明显,在12%以内,由此建议实际工程使用了带加劲肋立柱或带卷边导轨的墙体中可仍按照传统的使用无卷边U形导轨和端部不带加劲肋的C形立柱的墙体进行承载力设计,其实际多出的部分承载力可作为墙体的安全储备;b.根据AISI规范得出的G550冷成型钢复合墙体试件的轴向极限承载力计算值仅为试验值的60%,而已有的Q345冷成型钢复合墙体试件的轴向极限承载力计算值与试验值比较接近,试验值约为计算值的90%,说明AISI规范没有合理考虑钢材屈服强度对于冷成型钢复合墙体轴向极限承载力的影响,对不同类型钢材的冷成型钢复合墙体轴向承载力设计公式仍需进一步改进。2、对4片双层石膏板覆面岩棉内填充的冷成型钢承重复合墙体进行了震后抗火试验研究,考察了不同地震损伤、楼盖约束以及空腔填充层等因素对于该类复合墙体抗火性能影响,阐述了该类墙体在带损伤状态下的受火破坏机理,结果表明:a.当墙体试件在水平地震作用下的层间位移角在2%以内时,其震后耐火极限较无震损状态下墙体耐火极限的降幅仅为8分钟,龙骨立柱的受火破坏模式不会发生改变,表现为立柱在顶部区域热翼缘和腹板局部屈曲导致的钢龙骨骨架向背火侧的弯曲破坏;b.当墙体试件在强震作用下的层间位移角超过2.5%时,其耐火性能将会发生急剧降低,残余耐火极限仅剩8分钟,原因在于水平低周往复荷载作用使得墙体试件的底边墙板张开,与底导轨之间产生了不均匀间隙,底边墙板失去了对立柱的防火保护,火灾环境下炉内热量可以通过间隙直接传递至龙骨立柱热翼缘;同时,龙骨立柱的受火破坏模式也会发生改变,表现为立柱在柱底区域附近发生全截面局部压屈,进而导致立柱向背火侧的弯曲破坏,由此说明冷成型钢结构在强震次生火灾下的倒塌风险不可忽视;c.大刚度楼盖会对冷成型钢复合墙体产生明显的受火轴向膨胀约束作用,加快该类墙体的受火结构失效,降低墙体的耐火极限,最终使得双层石膏板覆面岩棉内填充的冷成型钢承重复合墙体无法满足1小时的耐火极限要求,建议规范对该情况予以考虑;d.空腔填充层将阻碍热量自空腔向背火侧的传递,使受火侧覆板以及龙骨立柱热翼缘快速温升,不仅会降低承重墙体的耐火极限,还会改变墙体立柱的受火破坏模式。3、由于以双层石膏板作为覆面板材的岩棉内填充冷成型钢承重复合墙体尚不满足1小时耐火极限要求,因此采用玻特板代替石膏板作为复合墙体的基层墙板完成了4片石膏—玻特板覆面岩棉内填充的冷成型钢承重复合墙体震后抗火试验研究,阐述了该类墙体的震后抗火破坏机理,结果表明:a.当墙体试件的层间位移角小于1%时,水平地震作用对于该类墙体的耐火性能影响并不明显,墙体立柱的破坏表现为在顶部区域由于立柱热翼缘和腹板局部屈曲导致的钢龙骨骨架向背火侧的弯曲变形;当墙体试件的层间位移角达到2%以上时,由于墙体试件水平拼缝处墙板的破损,失去了对立柱的侧向约束作用,破坏位置转移到了水平拼缝附近;当墙体试件的层间位移角达到3.5%时,墙体试件的残余耐火极限只有40分钟,立柱距柱底75mm高度位置的冷翼缘及与其相邻的腹板也会发生局部屈曲;b.冷成型钢复合墙体同侧双层墙板设置竖向贯通拼缝是一种槽糕的防火构造形式,在实际工程应尽量予以避免;c.相同构造、相同试验工况的冷成型钢承重复合墙体的抗火试验可以具有良好的重复性,特别是耐火时间、破坏模式以及时间-温度曲线等试验结果差异较小;d.以玻特板代替石膏板作为岩棉内填充冷成型钢承重复合墙体的基层墙板,可以使得墙体试件的耐火时间由48分钟增长至66分钟,抗剪极限承载力和单位长度抗剪刚度分别提高21.5%和39%,同时,墙体试件的震后残余耐火极限也会发生提高;由此建议在多层冷成型钢建筑中多使用以石膏—玻特板作为覆面板材的冷成型钢复合墙体。本文创新点如下:（1）率先开展了考虑楼盖约束的冷成型钢承重复合墙体抗火试验研究,揭示了空腔填充层会阻碍热量自空腔向背火侧的传递,使受火侧覆板以及龙骨立柱热翼缘快速温升的不利抗火作用机理;证实了墙体立柱在火灾环境下的轴向膨胀荷载不可忽视,它将

关键词：冷成型钢复合墙体震后抗火试验楼盖约束作用地震损伤破坏模式与机理

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