型钢混凝土框架结构耐火性能有限元分析

为了研究型钢混凝土框架整体结构的耐火性能,为其抗火设计提供参考,采用受火楼层建立精细化有限元计算模型、非受火楼层建立梁单元计算模型的方法,建立了型钢混凝土框架整体结构的耐火性能计算模型。考虑火灾位置、荷载分布形式、柱轴压比等参数的影响,对火灾下型钢混凝土框架整体结构的变形规律、承载机制、破坏形态以及耐火极限进行参数分析。分析结果表明：火灾下框架结构出现了整体破坏和局部破坏两种典型的破坏形态,受火构件受到的约束作用对其耐火性能有较大的影响;在局部破坏形态中,由于受热膨胀,火灾下框架梁首先出现了较大的轴压力,受火框架梁处于压弯受力状态;之后,框架梁出现了悬链线效应,轴力对框架梁的受力状态有较大影响;在整体破坏形态中,根据轴压比及荷载分布形式的不同,框架出现了中柱破坏和边柱破坏两种典型破坏形态,同时,随楼层受火位置的升高,柱的轴压比减小,框架结构的耐火极限增加。     

火灾高温下受约束蜂窝钢梁悬链线效应研究

火灾下受约束钢梁大变形阶段的悬链线效应,考虑了钢梁轴向拉力对抗弯承载力的贡献,可提高钢梁在火灾下的耐火极限。相同截面高度的蜂窝梁,其抗弯刚度与实腹钢梁基本相同,但其轴向刚度却远小于实腹钢梁,因此蜂窝梁火灾下的悬链线效应与实腹钢梁有较大差别。利用有限元方法研究了具有圆角多边形孔的受约束蜂窝钢梁在火灾升温下的悬链线效应。选取荷载比、梁跨度、梁端轴向约束刚度比以及蜂窝梁的扩展比、孔洞高度为主要参数,研究了梁的轴向力、跨中挠度、端部位移以及弯矩等随温度的变化规律。与实腹钢梁相比,火灾下蜂窝钢梁的最大压力较小,更早进入悬链线效应阶段。     

火灾下钢筋混凝土平面框架结构受力机理分析

为研究火灾下钢筋混凝土框架结构的受力机理,采用梁单元建立了钢筋混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型,考虑火灾位置、柱轴压比和梁配筋率等参数的影响,对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限进行了参数分析。分析结果表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态：当柱轴压比较小时,框架出现受火梁破坏导致的框架局部破坏形态;当柱轴压比和梁配筋率均较大时,框架出现受火中柱和受火边柱破坏导致的框架整体破坏形态,整体破坏形态为连续性倒塌破坏。在框架局部破坏形态条件下,三面受火梁在框架竖向分布位置不同,受约束作用不同,框架的耐火极限亦不同;而在框架整体破坏条件下,柱轴压比越大,耐火极限越小。     

火灾高温下轴向受约束波纹腹板梁受力性能参数分析

采用ABAQUS有限元模型对火灾下轴向受约束波纹腹板梁的悬链线效应进行参数分析。选取荷载比、轴向约束刚度比、跨高比、翼缘厚度以及波纹腹板厚度为主要参数,研究钢梁的跨中挠度和梁端轴力等随温度的变化规律,并给出火灾下钢梁的临界温度。结果表明:随着荷载比的增加,钢梁进入悬链线效应的温度逐渐降低;随着跨高比的增加,考虑悬链线效应后临界温度的提升幅度增加,钢梁悬链线效应的作用也越明显。     

截面温度不均匀受约束波纹腹板梁悬链线效应参数分析

利用经试验验证的有限元模型对均匀温度和不均匀温度分布下轴向约束波纹腹板梁的悬链线效应进行了参数分析,选取荷载比、轴向约束刚度比、跨高比及倾角为主要参数,研究了钢梁的跨中挠度、梁端轴力和悬链线弯矩等随温度的变化规律,并给出了火灾下钢梁的临界温度。由于不均匀温度下产生的热弯曲,钢梁在压力阶段的挠度更大而轴力更小。但均匀温度下钢梁的破坏温度比不均匀温度情况时高。钢梁的悬链线温度和破坏温度都随着荷载比的增大而降低。相同荷载比作用下,不同跨高比钢梁的悬链线温度相同,但其破坏温度随跨高比的增大而升高,钢梁的悬链线效应也越明显。     

火灾下张弦梁结构的性能分析(英文)

基于实用大空间火灾空气温升模型和张弦梁结构三维整体有限元模型,对火灾下整体结构的抗火性能进行了模拟分析.研究对比了不同火源面积和高度下结构的温度场分布、位移和应力特征、钢索的应力变化和结构破坏模式,得到了不同火灾下张弦梁结构的极限耐火时间.分析结果表明:在火灾作用下由于张弦梁结构局部构件变形过大不能继续承载,导致整体结构失稳和倒塌;结构的抗火薄弱区域位于结构中心附近,结构变形不对称;火灾下引起张弦梁结构破坏的主要因素为较大的初始应力以及高温下结构刚度和强度的降低.     

火灾下轴向约束波纹腹板梁悬链线效应分析

火灾下受约束钢梁大变形阶段的悬链线效应,考虑了轴向拉力对钢梁抗弯承载力的贡献,可提高钢梁的耐火极限。波纹腹板梁通过波折提高了腹板平面外刚度,可以采用更大的高厚比,在抗弯承载力基本不变的情况下,大幅度降低了材料用量。但波纹腹板梁轴向刚度小于相应的平腹板梁,其悬链线效应与平腹板梁有较大的差别。利用验证的有限元模型对受约束波纹腹板梁和平腹板梁悬链线效应的受力机理进行了分析,探讨了波纹腹板梁与平腹板梁中腹板对轴向承载力和抗弯承载力的贡献。对比研究了两种梁在悬链线效应方面的异同。由于波纹腹板梁的轴向刚度较小,其产生的轴向压力比相应的平腹板梁小,在相同荷载作用下,波纹腹板梁更早地进入悬链线效应阶段。     

对梁柱连接的加固过程中防止逐步破坏,第二部分:有限元分析

提出了针对纯钢结构加固的部分研究结论。在简支梁柱连接加固过程中,可通过悬链作用预防其逐步破坏。在对悬链作用的评估中,由于巨大的拉力作用对结构性能的影响,使得分析变得较为复杂。借助于计算机和强大的计算软件,有限元分析方法提供了理想模型可以解决如此复杂的问题。利用ABAQUS有限元程序,针对悬链作用的分析开发了一维、二维和三维模型,并对原始和加固后的结构进行了后期遭受爆炸攻击的模拟。一维梁单元模型在计算整体性能时与二维固体单元或者三维壳单元模型的分析结果比较接近,特别是对那些节点已加固的结构而言。为验证有限元预测模型的有效性,对研究与相关文献中的结论进行了比较。通过对比加固前和加固后的计算结果,证明了所提议方案的优点。     

结构抗火研究相关问题

提出了结构抗火相关问题的思考,包括加固混凝土结构抗火性能、火灾引起的次应力、梁的悬链线效应、框架房屋抗火设计方法、混凝土爆裂机理及防爆措施等,从而促进建筑抗火设计的发展。     

装配整体式混凝土框架子结构防连续#br# 倒塌空间受力性能试验研究

文章设计并制作3个2/3缩尺的梁柱节点构造形式为开槽水平搭接的装配整体式混凝土(PC)结构试件,对中柱进行了力-位移控制静力加载的试验。第1个为空间框架子结构,第2个为平面框架子结构,第3个为悬挑结构。根据试验的抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等结果对试件的受力变化及抗力机制进行分析。结果表明：压拱作用峰值点之前,空间框架子结构基本可以由平面框架子结构和悬挑结构来叠加等效。由于空间框架平面外横向梁的存在,使得空间框架子结构的压拱效应承载力相比于平面框架子结构的提高11.65%,这主要来源于平面外横向梁的梁机制提供的竖向承载力,但不影响空间框架和平面框架悬链线的开始位移。在悬链线阶段,空间框架子结构平面外横向梁的存在会使悬链线效应降低27.23%,且会使悬链线效应提前近一半的竖向位移结束。在空间框架子结构中发生连续倒塌时,柱头会发生平面外的偏转,会使压拱阶段的峰值相较于平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低4.77%,对悬链线阶段的峰值平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低39.04%。空间框架子结构和平面框架子结构的主要区别源于平面外横向框架梁的影响,会使得空间框架结构出现明显的扭转裂缝,且裂缝发展程度更集中和严重一些,这对结构受力是不利的。     

Response of steel beam–columns exposed to fire

Steel beams when exposed to fire develop significant restraint forces and often behave as beam–columns. The response of such restrained steel beams under fire depends on many factors including fire scenario, load level, degree of restraint at the supports, and high-temperature properties of steel. A set of numerical studies, using finite element computer program ANSYS, is carried out to study the fire response of steel beam–columns under realistic fire, load and restraint scenarios. The finite element model is validated against experimental data, and the importance of high-temperature creep on the fire response of steel beam–columns is illustrated. The validated model is used to carry out a set of parametric studies. Results from the parametric studies indicate that fire scenario, load level, degree of end-restraint and high-temperature creep have significant influence on the behavior of beams under fire conditions. The type of fire scenario plays a critical role in determining the fire response of the laterally-unrestrained steel beam within a space subframe. Increased load level leads to higher catenary forces resulting in lower fire resistance. Rotational restraint enhances the fire resistance of a laterally-unrestrained steel beam, while the axial restraint has detrimental effect on fire resistance.     

同跨受火时两层两跨组合钢框架抗火性能的试验研究

利用自行研制的火灾试验炉,对两榀两层两跨组合钢框架在同跨火灾作用下的性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火、节点不受火,梁、板受火而柱、节点不受火两种。试验中量测了各种工况的炉温,框架梁、柱及混凝土楼板中的温度分布及框架水平和竖向位移。结果表明:钢柱四面受火时,钢柱翼缘、腹板的温度相差很小;对于钢梁,除了与混凝土接触的上翼缘外,其余H型钢梁的裸露部分温度分布基本均匀;混凝土内部的温升一般滞后于钢梁,钢筋混凝土板对钢梁有约束作用,升温时混凝土限制钢梁的膨胀、降温时则限制钢梁的收缩,致使钢筋混凝土板中出现很多裂缝;组合梁的抗火性能明显优于钢柱,工程中应对钢柱和节点实施保护;钢框架未受火部分对受火部分约束很大,导致受火跨边柱与中柱的变形不对称,同样也产生了内力重分布。     

约束高强度Q460钢梁的抗火性能

为了研究约束高强度Q460钢梁的抗火性能,在已有约束钢梁分析理论的基础上,引入残余应力,提出了约束钢梁的抗火性能分析方法,并采用普通强度约束钢梁试验数据对分析方法进行了验证。考虑高强度Q460钢材高温下力学性能参数,利用所提出的方法分析了约束高强度Q460钢梁的抗火性能,并与普通强度Q345钢梁进行了对比。对影响约束高强度Q460钢梁的抗火性能参数进行了分析,包括荷载比、残余应力、轴向约束刚度、转动约束刚度和受火方式等。研究表明:所提出的分析方法准确可靠,高强度Q460钢梁抗火性能与普通强度钢梁具有较大的区别,高强度Q460约束钢梁的抗火性能明显优于普通强度约束钢梁。荷载比、轴向约束刚度、转动约束刚度、受火方式对高强度Q460约束钢梁有较大影响。     

冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁抗火性能参数分析

基于ANSYS热分析结果,建立冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁在标准火灾作用下的热-结构耦合有限元计算模型,对荷载水平、混凝土强度、槽钢截面几何尺寸、防火涂层厚度、加载位置和加载方式等不同影响因素下的组合梁抗火性能进行有限元分析。结果表明：防火涂层厚度和荷载水平对组合梁抗火性能的影响显著,槽钢截面腹板高度和腹板厚度次之,混凝土强度、加载位置、加载方式和槽钢翼缘厚度等因素对组合梁的抗火性能影响很小,可以忽略不计;防火涂层厚度一定时,组合梁的耐火极限随荷载水平的提高而降低;荷载水平一定时,组合梁的耐火极限随防火涂层厚度的增加而呈非线性提高;填充混凝土可有效降低钢梁截面的温度,产生温升延时效应,在升温前期,冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁的温度低于未填充混凝土的型钢梁,降幅可达15％~60％。在ISO-834标准火灾作用下,组合梁跨中挠度 δ=l/25 可作为其达到耐火极限的判别标准。     

Adaptation factor for moment capacity calculation of steel beams subject to temperature gradient

Adaptation factors provide a simple means to estimate the moment capacity of a steel beam subject to temperature gradient. The use of adaptation factors is introduced in Eurocode for structural steel design under fire conditions. Temperature gradients arise in a steel/concrete composite beam usually as a result of the partial protection from fire by another structural or non-structural member. For a bare steel section subject to any temperature gradient, a value of 0.7 is stipulated for the adaptation factor in the Eurocode. A value of 0.85 is stipulated for protected beam under the same fire situation. These values are used to increase the steel beam’s calculated moment capacity which is based on an assumed uniform temperature of the cross-section. Literature on the use of the adaptation factors is scarce. In this paper, the value of the adaptation factor being adopted by the Eurocode for design of steel beam in fire with non-uniform temperature distribution is examined. The use of this value in the general cases of steel/concrete composite beam construction is studied by carrying out numerical computations for various temperature gradient cases. The suitability of the adaptation factor value adopted by the code is discussed and recommendations given.     

火灾高温下耐火保护钢梁设计荷载的分析

研究了火灾高温环境下耐火保护钢梁温度和结构的变化,运用有限元软件ANSYS模拟不同涂料厚度的耐火保护钢梁在标准温升模型、慢速和快速温升BFD模型3种温升曲线下,荷载作用不同时的最大挠度值,并与Robertson-Ryan准则中的最大挠度值比较,确定耐火保护钢梁的设计荷载值。结果表明,采用标准火灾模型代替自然火灾模型确定的设计荷载是不安全的;钢梁最高温度越高,设计荷载越低;随着涂料增厚,温升速率的改变对设计荷载值的影响逐渐明显。     

钢框架梁抗火分析有限元模型的建立

介绍了应用有限元法进行钢框架梁抗大设计研究时有限元模型的建立，简述了所研究问题的必要性，总结出将工字钢上下翼缘及中间腹板的实际温度加到模型中去的技巧。     

高温火直接作用下钢梁抗火性能试验研究

为研究高温火直接作用下钢梁的抗火性能,对其进行了高温火直接作用试验;同时,以受热时间作为变化参数,对比分析了高温火直接作用和按ISO 834标准升温过程钢梁的轴力、跨中挠度及耐火时间。结果表明：高温火直接作用与按ISO 834标准升温下,钢梁破坏端面的微观组织及升温过程的受力和变形存在明显差异;无论有无防火涂层的保护,当温度800℃时,高温火直接作用下钢梁的最大轴力比按ISO 834标准升温的增大76.9%以上;同时,防火涂层厚度对钢梁的耐火时间也有影响,无防火涂层时,钢梁的耐火时间小于20min;有防火涂层保护时,随防火涂层厚度增厚,两种高温作用下,钢梁的耐火时间相近,但防火涂层厚度不足15mm时,耐火时间相差20%以上;当防火涂层厚度为15mm时,在温度约800℃高温火直接作用下,其耐火时间为26min。     

火灾中约束钢梁破坏过程分析

Broadgate火灾之后,考虑结构整体性的结构抗火方法得到了学术界的广泛重视。采用有限元程序ANSYS对具有梁端约束的钢梁进行了抗火分析,验证了通过有限元进行抗火分析的可靠性,提出了具有梁端约束的钢梁破坏过程,阐明了处于整体结构中的钢梁火灾下的承载机理,并给出了钢梁抗火的概念设计的建议。     

温度梯度下计算钢梁弯曲承载力计算的适应因子

适应因子提供了估计温度梯度下钢梁弯曲承载力的简单方法。欧洲的钢结构设计规范中介绍了火灾情况适应因子的应用。由于其他结构或非结构构件进行局部防火保护时,钢或混凝土组合梁内通常会出现温度梯度。当无保护的钢截面存在任何温度梯度时,欧洲规范规定适应因子取值0.7,在同样火灾情况下对有保护的梁适应因子取值0.85,这些值被用于提高钢梁的计算弯曲承载力,此时假定横截面温度均匀。有关适应因子的文献很少。本文对在火灾中,按照欧规对钢梁在不均匀温度场中适应因子的设计取值进行验算。通过各种温度梯度情况的数值计算,对其在钢或混凝土组合梁结构一般情况下的应用进行了研究。并对规范所采纳的适应因子值的稳定性进行讨论并给出了推荐值。