【摘要】：鋼結(jié)構(gòu)不耐火成為人們的共識，大量鋼結(jié)構(gòu)火災案例表明整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災中會產(chǎn)生很大的變形甚至局部破壞，但整體結(jié)構(gòu)沒有喪失承載能力。這種現(xiàn)象與目前鋼構(gòu)件抗火性能的研究結(jié)果不相符，目前國內(nèi)還未見有對整體鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進行抗火性能的研究報道。本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目“空間火災蔓延對鋼框架結(jié)構(gòu)的影響”（批準號:2001CB40960310）和國家自然科學基金項目“結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災時聲發(fā)射和振動特性的試驗研究”（批準號:50878069）的資助下，搭建了3×3跨3層足尺整體鋼框架樓，框架樓一層層高3500mm，二、三層層高3000mm，柱距4500mm，現(xiàn)澆混凝土樓板厚120mm。在整體結(jié)構(gòu)中對不同位置的鋼梁、鋼柱進行恒載下的抗火性能試驗研究和有限元模擬分析，并對局部火災下梁板的聲發(fā)射特性和振動特性進行了分析。主要研究內(nèi)容如下： （1）鋼框架樓中鋼梁試驗研究對鋼框架樓中單跨邊梁、中跨梁、兩跨連續(xù)梁、三跨連續(xù)梁分別進行恒載作用下的抗火性能試驗研究。試驗全過程測量了火場空氣溫度、鋼梁和樓板不同位置截面溫度場分布規(guī)律、鋼梁和樓板的撓曲變形等內(nèi)容，考察了鋼梁和樓板的破壞形態(tài)。試驗結(jié)果表明：鋼梁上翼緣與火場溫度存在明顯溫差，同一截面鋼梁溫度與樓板混凝土溫度存在較大溫差；試驗開始樓板表面首先產(chǎn)生許多裂縫；鋼梁先產(chǎn)生向下豎向變形，在升溫過程中向下的變形開始減小，恢復到試驗前初始位置后產(chǎn)生向上變形；鋼梁上下翼緣焊縫在降溫階段開裂；在火災全過程中，鋼梁與現(xiàn)澆混凝土樓板沒有脫開，共同受力和變形。在各種工況下鋼梁經(jīng)歷900℃以上溫度，升溫時間120min左右，鋼梁沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而喪失承載能力，呈現(xiàn)出良好的抗火性能。 （2）鋼框架樓中鋼柱試驗研究對鋼框架樓中單面受火邊柱、三面受火邊柱、中柱、角柱分別進行恒載作用下的抗火性能試驗研究。試驗中測量了火場空氣溫度、鋼柱不同截面溫度場分布、鋼柱不同截面?zhèn)认蜃冃�、鋼柱軸向變形，鋼柱頂樓板混凝土溫度等，考察了相臨鋼梁的變形情況、鋼柱的破壞形態(tài)。試驗結(jié)果表明：四面受火、梁柱節(jié)點受火的中柱在升溫76min內(nèi)未產(chǎn)生明顯軸向膨脹變形，之后軸向變形產(chǎn)生突變。其它各工況試驗軸向變形首先產(chǎn)生膨脹，在升溫階段膨脹變形減小，最后產(chǎn)生壓縮變形，角柱在降溫階段膨脹變形開始減�。讳撝鶄�(cè)向變形在火災中產(chǎn)生反向；四面受火鋼柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞；單面受火邊柱和角柱鋼柱沒有產(chǎn)生明顯破壞；各種工況下，不論鋼柱在火災過程中是否發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌現(xiàn)象。 （3）鋼框架樓中梁、柱非線性有限元模擬分析試驗研究無法全方位跟蹤測試整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災中的行為，有限元模擬分析可以彌補這個不足。本文考慮材料非線性和幾何非線性，采用增量方法建立了應力增量和應變增量的關(guān)系，運用ANSYS有限元軟件建立了考慮樓板作用和整體效應的鋼梁、鋼柱抗火性能分析的模型，結(jié)果表明：有限元分析的構(gòu)件截面溫度場、鋼梁撓曲變形、鋼柱軸向變形以及側(cè)向變形與試驗結(jié)果吻合，表明建立的有限元分析模型是合理可行的，能夠?qū)ζ渌r的梁柱進行模擬分析。 （4）鋼框架樓中火災時梁板聲發(fā)射特性研究利用聲發(fā)射儀器對火災作用下梁板的聲發(fā)射現(xiàn)象進行了監(jiān)測。監(jiān)測了火災過程中聲發(fā)射事件率、能量率和b值的變化情況，分析了各參數(shù)變化與樓板裂縫、鋼梁變形等現(xiàn)象的關(guān)系。結(jié)果表明：事件率、能量率的變化與宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，b值可以較準確的反映框架樓中鋼梁受火時聲發(fā)射信號的強烈程度，判斷梁、板在火災作用下所處的狀態(tài)；鋼梁變形在增長過程中會產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號，在變形恢復過程中信號數(shù)有所減弱；聲發(fā)射事件中小于80db的事件占全部事件的90%以上，能量只在50%左右，對能量釋放起主要作用的是那些只占10%的事件數(shù)。 （5）鋼框架樓中火災時梁板振動特性研究利用振動設備對火災作用下梁板的加速度進行了全程監(jiān)測。并利用Fourier變換對加速度進行了分析，結(jié)合數(shù)值計算，對整體結(jié)構(gòu)中梁板的振動進行了分析。結(jié)果表明：整體結(jié)構(gòu)中單跨鋼梁頻率繞20Hz波動，兩跨連續(xù)梁振動頻率低于20Hz，隨試驗的進行，整體結(jié)構(gòu)的剛度減小，振動頻率出現(xiàn)波動式減小，振動特性的研究可以為結(jié)構(gòu)的倒塌預警提供一定的理論依據(jù)。
【圖文】：

圖 1-1 紐約世貿(mào)雙塔樓大火Fig.1-1 Fire of WTC twin towers構(gòu)具有施工速度快，承載力高，抗震性能好等許多優(yōu)點，在多高層筑中得到推廣使用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益�！�9.11”事對鋼結(jié)構(gòu)是否適合在建筑中采用提出質(zhì)疑，，有些人甚至持否定態(tài)度用鋼結(jié)構(gòu)的建筑物改用其它結(jié)構(gòu)形式，一些建成的建筑物也加大了。認為火災作用下，鋼材強度和彈性模量降低，當溫度達到 600℃時承受荷載的強度和剛度。建筑火災在短時間內(nèi)無法控制火勢而使一般裸露鋼構(gòu)件在火災中極易發(fā)生破壞，其耐火極限僅為 15min 設計規(guī)范根據(jù)建筑物的重要性確定構(gòu)件的耐火等級，根據(jù)構(gòu)件的構(gòu)采取防火保護措施，而不考慮結(jié)構(gòu)抵抗火災的能力。這種“處方法簡單，便于工程應用。建筑構(gòu)件的耐火等級是根據(jù)標準耐火驗中不考慮實際結(jié)構(gòu)的受力和構(gòu)件端部約束。大量的火災案例和21]：承受不同荷載和約束的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災中的行為截然不同，特相臨構(gòu)件的約束作用更是標準試驗無法模擬的；根據(jù)構(gòu)件耐火極

5454圖2-2 鋼梁頂栓釘詳圖Fig.2-2 Stud detail above steel beam圖2-3 鋼梁節(jié)點圖Fig.2-3 Joint of steel beam
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TU391;TU352.5

【參考文獻】

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1 尹祥礎(chǔ),李世愚,李紅,王敏;從斷裂力學觀點探討 b 值的物理實質(zhì)[J];地震學報;1987年04期

2 王彬;顧建祖;駱英;李忠芳;;預應力鋼筋混凝土梁破壞過程的聲發(fā)射特性實驗研究[J];防災減災工程學報;2006年04期

3 朱宏平;徐文勝;陳曉強;夏勇;;利用聲發(fā)射信號與速率過程理論對混凝土損傷進行定量評估[J];工程力學;2008年01期

4 董毓利;;兩種組合鋼框架火災變形性能的試驗研究[J];工程力學;2008年02期

5 韓金生;程文p<;徐趙東;董毓利;呂俊利;;壓型鋼板-混凝土組合樓板火災行為試驗分析[J];工業(yè)建筑;2006年03期

6 董毓利;王德軍;;框架組合梁抗火性能試驗[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;2008年02期

7 李衛(wèi),過鎮(zhèn)海;高溫下砼的強度和變形性能試驗研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學報;1993年01期

8 董毓利，謝和平，李玉壽;砼受壓全過程聲發(fā)射特性及其損傷本構(gòu)模型[J];力學與實踐;1995年04期

9 南建林,過鎮(zhèn)海,時旭東;混凝土的溫度-應力耦合本構(gòu)關(guān)系[J];清華大學學報(自然科學版);1997年06期

10 趙金城，沈為平;高溫下鋼框架結(jié)構(gòu)非線性有限元分析[J];上海交通大學學報;1996年08期

本文編號：2579048