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确定火灾下轴心受压约束钢构件临界温度的实用方法

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建筑钢结构进展 2024年

作者：朱劭骏张婷娜宋林昕李晋宇李国强蒋首超楼国彪福州大学土木工程学院同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室同济大学土木工程学院

火灾下轴心受压约束钢构件的力学响应复杂，所产生的温度内力导致其承载失效的确定与计算难度大。为简化基于结构构件高温承载极限状态的约束钢构件抗火设计方法，采用有限元数值模拟方法开展了大规模参数分析，以确定火灾高温下轴心受... 详细信息

火灾下轴心受压约束钢构件的力学响应复杂，所产生的温度内力导致其承载失效的确定与计算难度大。为简化基于结构构件高温承载极限状态的约束钢构件抗火设计方法，采用有限元数值模拟方法开展了大规模参数分析，以确定火灾高温下轴心受压约束钢构件的承载与失效规律。基于试验验证的可靠有限元模型，研究了不同长细比、轴向约束刚度比和初始荷载比等参数对轴心受压约束钢构件火灾响应的影响。结果表明，上述参数均将显著影响约束钢构件的火灾响应，且当长细比较大、轴向约束刚度比较小、初始荷载比较大时，屈曲导致的卸载可使杆件内轴力小于其常温下初始轴力；尽管该情况下杆件的临界温度应取为屈曲温度，但该温度仍大于同一长细比下轴向完全约束轴压钢柱对应于特定初始荷载比的临界温度。在此基础上，采用最小二乘法拟合了火灾下轴心受压约束钢构件临界温度与对应的完全约束受压钢构件和无约束受压钢构件临界温度的关系式，并通过与现有规范和数值算例精确结果的对比验证了本文提出的轴心受压约束钢构件临界温度计算方法的有效性，为轴心受压约束钢构件的抗火设计提供了一种实用方法。

关键词：约束钢构件轴心受压抗火设计临界温度火灾响应

覆板复合防火保护方钢管柱抗火试验与简化理论模型研究

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工程力学 2024年

作者：李瑞陈伟叶继红姜健尹亮叶建徐州市工程结构火安全重点实验室(中国矿业大学) 应急管理部天津消防研究所江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室(中国矿业大学) 中国建筑第三工程局有限公司

覆板复合防火保护是在钢构件壁面覆盖防火板与防火棉毡的相互组合从而形成的一类防火保护措施，较涂料防火保护具有干法施工、耐久性好、装饰一体化等优点。针对方钢管柱，本文提出了一种新型覆板复合防火保护构造，开展了2根0.6荷载比... 详细信息

覆板复合防火保护是在钢构件壁面覆盖防火板与防火棉毡的相互组合从而形成的一类防火保护措施，较涂料防火保护具有干法施工、耐久性好、装饰一体化等优点。针对方钢管柱，本文提出了一种新型覆板复合防火保护构造，开展了2根0.6荷载比率下方钢管柱足尺持荷抗火试验。试验试件采用防火石膏板和硅酸铝棉毡进行复合防火保护，呈现受火全截面局部屈曲破坏，最高耐火极限达147min。为了实现方钢管柱受火温升高效求解，提出了一种四面受火环境下覆板复合防火保护方钢管柱温升简化理论模型，将方钢管柱的横截面二维受火传热简化为等效一维传热问题，推导了理论模型的控制方程。采用传统的抗火有限元模拟手段，将方钢管柱典型算例由2个扩充至23个。算例对比表明简化理论模型计算精度高，算例温升平均误差6.03%，同时计算效率平均提高35.7倍。结合国家标准中的钢构件临界温度法，提出覆板复合防火保护方钢管柱抗火简化设计方法。算例对比表明抗火简化设计方法准确度良好，耐火极限平均误差4.46%，实现了该类钢结构构件高效抗火设计。

关键词：覆板复合防火保护方钢管柱足尺抗火试验简化理论模型抗火设计量化评价

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海口双子塔-南塔钢结构抗火设计

建筑结构 2022年第16期52卷 17-21页

作者：罗佑新张同亿王宁张松中国中元国际工程有限公司北京100089

海口双子塔-南塔结构体系外侧为巨型钢管混凝土柱+钢支撑框架,内部为钢板混凝土核心筒,二者之间为钢结构组合楼盖,需进行抗火设计。采用临界温度法对结构进行抗火设计,基于抗火设计结果建立热-固耦合整体结构模型,继而进行抗火灾连续倒... 详细信息

海口双子塔-南塔结构体系外侧为巨型钢管混凝土柱+钢支撑框架,内部为钢板混凝土核心筒,二者之间为钢结构组合楼盖,需进行抗火设计。采用临界温度法对结构进行抗火设计,基于抗火设计结果建立热-固耦合整体结构模型,继而进行抗火灾连续倒塌分析。分析时考虑了高温下构件材料的刚度、屈服强度等折减以及构件的温度应力,同时对耐火极限后的构件损坏进行了评价。结果表明,采用临界温度法抗火设计以及基于整体结构的火灾全过程分析,基本可实现建筑结构在火灾时的抗连续倒塌设计目标,其中大跨组合钢次梁为防连续倒塌薄弱构件,转换梁及钢结构节点需进行防火加强。

关键词：海口双子塔抗火设计临界温度法热-固耦合结构模型抗火灾连续倒塌构件损坏评价

火灾下空间索面悬索桥缆索结构性能分析及抗火设计研究

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火灾下空间索面悬索桥缆索结构性能分析及抗火设计研究

作者：龙彬重庆交通大学

学位级别：硕士

随着我国交通基础设施的不断完善和交通运输量的迅猛增长,桥梁火灾事故造成的经济损失和不良社会影响不容忽视。悬索桥具有极强的跨越能力,是大跨径桥梁的主要桥型之一。悬索桥缆索由平行钢丝或钢绞线组成,但其耐火性能较差,在火灾下发... 详细信息

随着我国交通基础设施的不断完善和交通运输量的迅猛增长,桥梁火灾事故造成的经济损失和不良社会影响不容忽视。悬索桥具有极强的跨越能力,是大跨径桥梁的主要桥型之一。悬索桥缆索由平行钢丝或钢绞线组成,但其耐火性能较差,在火灾下发生损伤后将严重影响桥梁结构的安全。本文以某空间索面悬索桥为工程背景,开展火灾作用下桥梁缆索结构受力性能分析和抗火设计研究。主要内容和结论如下:(1)对油罐车火灾及缆索抗火现状进行调研,归纳总结了高温下钢材性能参数,基于传热学理论确定了火灾数值模拟方法,对汽车火灾释热率模型进行对比,确定了平方释热函数下200MW油罐车火灾为桥梁最不利火灾工况。应用火灾数值模拟软件FDS对200MW油罐车火灾进行瞬态热分析,火源侧面约15m及火源上方约25m空间范围内瞬态温度高于300℃。(2)基于200MW油罐车火灾空间温度场规律,以某空间索面悬索桥为工程背景,结合桥梁构造特点设置了缆索四种最不利火灾场景,通过FDS对各火灾场景进行数值模拟,各火灾场景中受火缆索均有不同程度高温损伤,在火灾场景三中受火吊索存在短时间内断索风险。(3)利用ANSYS建立缆索平面瞬态热分析模型,得到缆索内部传热规律及温度场分布。结合主缆截面各钢丝层升温规律,提出主缆“串并联”模型,计算得到主缆受火后各层钢丝应力与强度变化规律,主缆截面各钢丝层温差较大,各钢丝层受火后强度均不同程度降低,各钢丝层之间的温差将导致应力重分配。(4)利用ANSYS建立空间索面悬索桥模型,结合火灾场景中缆索表面升温规律,基于主缆“串并联”模型,对各火灾场景中桥梁缆索力学性能分析,得到桥梁缆索受火后结构特性,各火灾场景中主缆均不会发生断裂,其中火灾场景三为最不利火灾场景,受火吊索在火灾发生5分钟后断裂,相邻吊索应力激增,但不会发生吊索连续断裂。(5)基于最不利火灾场景缆索表面温度,提出了缆索抗火设计基本原则,结合200MW油罐车火灾空间温度场分布与不同火灾场景处缆索表面温度情况,以玄武岩纤维作为抗火材料,缆索抗火层厚度不低于6mm,吊索失效断裂基本防护高度为13m,吊索护套破损基本防护高度为30m,主缆纵桥向防护距离为中跨跨中两侧各98.7m,边跨主缆与桥面交点以上30m。

关键词：空间索面悬索桥火灾场景油罐车火灾数值模拟抗火设计

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圆钢管约束钢筋混凝土柱抗火设计方法

建筑结构学报 2017年第S1期38卷 150-156页

作者：刘发起杨华杨冬冬张素梅哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室黑龙江哈尔滨150090

对于钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究,目前尚无抗火设计方法可供参考。实际工程中大多借鉴钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火设计方法,但由于钢管约束钢筋混凝土柱的受力机理与二者不同,其耐火极限存在明显差异。为此,提出了火灾下... 详细信息

对于钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究,目前尚无抗火设计方法可供参考。实际工程中大多借鉴钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火设计方法,但由于钢管约束钢筋混凝土柱的受力机理与二者不同,其耐火极限存在明显差异。为此,提出了火灾下圆钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限计算方法,分析了荷载比、长细比等因素对耐火极限的影响,并与钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱进行了对比。研究表明:荷载比对圆钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限影响显著,荷载比越大,耐火极限越低;长细比、截面尺寸等因素对荷载比较小的构件影响显著。圆钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限为相同条件下钢筋混凝土柱的14.4%~66.0%,荷载比越大,两种构件的差异越大,按照钢筋混凝土柱的防火设计方法对圆钢管约束钢筋混凝土柱进行防火设计,结果偏于不安全;与钢管混凝土柱相比,钢管约束钢筋混凝土柱具有更高的耐火极限,是钢管混凝土柱的1.0~3.0倍。

关键词：圆钢管约束钢筋混凝土柱钢筋混凝土柱钢管混凝土柱耐火极限抗火设计

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矩形钢管混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法

建筑结构学报 2004年第1期25卷 25-35页

作者：杨有福韩林海福州大学土木建筑工程学院福建福州350002

进行了8个轴心受压或偏心受压矩形钢管混凝土柱,按ISO—834和GB/T9978—1999规定的标准升温曲线升温作用下耐火极限的实验研究。实验结果表明,截面尺寸和防火保护层厚度对构件耐火极限的影响较大,而荷载偏心率的影响则相对较小。分析结... 详细信息

进行了8个轴心受压或偏心受压矩形钢管混凝土柱,按ISO—834和GB/T9978—1999规定的标准升温曲线升温作用下耐火极限的实验研究。实验结果表明,截面尺寸和防火保护层厚度对构件耐火极限的影响较大,而荷载偏心率的影响则相对较小。分析结果还表明,国家规范GB50045—95中钢结构柱防火保护层厚度的确定方法不适合于矩形钢管混凝土柱。在大规模参数分析结果的基础上,提出了矩形钢管混凝土柱耐火极限及防火保护层厚度的简化计算公式,公式的计算结果与数值计算结果和实验结果均吻合较好,且总体上偏于安全。本文的研究成果可为有关矩形钢管混凝土工程进行抗火设计时提供参考。

关键词：钢管混凝土矩形空心截面组合柱耐火极限抗火设计

高强钢S460高温力学性能研究与抗火设计建议

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湖南大学学报（自然科学版） 2018年第11期45卷 37-45页

作者：强旭红毋凯冬姜旭罗永峰同济大学土木工程学院上海200092

针对钢结构抗火设计中高强度结构钢材料力学性能参数的取值进行研究.为研究最常用的高强度结构钢S460N在高温下的力学性能,对其在稳态和瞬态不同火灾情况下进行材性试验,得到不同温度下S460N的弹性模量、屈服强度和极限强度的折减系数,... 详细信息

针对钢结构抗火设计中高强度结构钢材料力学性能参数的取值进行研究.为研究最常用的高强度结构钢S460N在高温下的力学性能,对其在稳态和瞬态不同火灾情况下进行材性试验,得到不同温度下S460N的弹性模量、屈服强度和极限强度的折减系数,并与现有文献和现行主要钢结构设计规范进行对比分析.通过与现有文献中欧标钢S460N和S460M、国产钢Q460以及普通钢的研究结果的比较,发现高温下结构钢的力学性能退化取决于钢材种类及其加工工艺.因此,各国现行的钢结构设计规范基于普通钢研究成果得出的设计建议不适用于高强度结构钢.此外,给出可用于指导设计的高强度结构钢S460N在高温下力学性能退化的拟合公式,并对其进行校验.

关键词：高强度结构钢高温力学性能试验研究抗火设计

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GFRP筋增强混凝土结构的抗火设计

建筑材料学报 2009年第1期12卷 32-35页

作者：周长东吕西林金叶北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

通过火灾环境中混凝土内的温度场试验,以及火灾高温中玻璃纤维聚合物筋(GFRP筋)的力学性能和黏结性能试验,根据不同抗火等级对不同混凝土构件所要求的耐火极限时间,给出了GFRP筋增强混凝土结构的抗火设计方法.当抗火等级要求较高时,不... 详细信息

通过火灾环境中混凝土内的温度场试验,以及火灾高温中玻璃纤维聚合物筋(GFRP筋)的力学性能和黏结性能试验,根据不同抗火等级对不同混凝土构件所要求的耐火极限时间,给出了GFRP筋增强混凝土结构的抗火设计方法.当抗火等级要求较高时,不宜采用GFRP筋增强混凝土结构.

关键词： GFRP筋混凝土结构高温抗火设计

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钢桁架屋盖结构抗火设计实用方法

建筑钢结构进展 2015年第3期17卷 57-64页

作者：林苏敏杜咏蒋云付建新南京工业大学土木工程学院南京211816

钢桁架结构作为大空间建筑屋盖结构常用的形式之一,其火灾下的承载能力对于保证大空间建筑屋盖结构在规定耐火极限内的安全性至关重要。采用有限元数值分析方法和结构力学理论分析,对桁架屋盖在多参数影响下的抗火性能进行了研究,发现... 详细信息

钢桁架结构作为大空间建筑屋盖结构常用的形式之一,其火灾下的承载能力对于保证大空间建筑屋盖结构在规定耐火极限内的安全性至关重要。采用有限元数值分析方法和结构力学理论分析,对桁架屋盖在多参数影响下的抗火性能进行了研究,发现平面外支座约束条件、火源位置及结构荷载比是影响钢桁架结构抗火承载力的关键因素;桁架屋盖体系中的支撑构件在火灾下失效会使桁架平面外支座约束方式产生变化,从而影响上弦杆件平面外抗火承载力;基于整体结构受火性能,提出了钢桁架屋盖抗火设计实用方法,该方法有助于明确临界温度法或承载力法中相关参量的取值,为基于计算评价桁架屋盖结构在大空间建筑火灾下的抗火性能提供科学的依据。

关键词：钢桁架屋盖结构大空间建筑火灾抗火设计临界温度抗火承载力