火灾环境下钢结构响应行为的FDS-ABAQUS热力耦合方法研究

火灾环境下钢结构热力耦合分析普遍采用ISO834标准升温曲线（或火灾升温经验公式）描述结构的升温过程,然而这种方法并不能准确描述真实火灾环境下结构的升温过程。为了分析钢结构在真实火灾温度场下的热响应行为,该文以整体结构作为研究对象,提出了基于FDS和ABAQUS的火-热-结构耦合分析方法。该方法通过创建FDS-ABAQUS耦合接口,将FDS模拟得到的火灾动态温度场数据传输到有限元软件ABAQUS中,使用ABAQUS对整体结构进行热力耦合计算,得到整体结构在特定火灾场景下的力学响应特性。案例分析表明,该文创建的耦合方法可将FDS模拟得到的温度场数据传输到ABAQUS模型,分析结果显示传输温度场数据最大误差为2.18%;模拟整体结构热响应行为时考虑不均匀热膨胀引起的内力,模拟结果更接近真实火灾场景下的力学响应。     

两种组合钢框架火灾变形性能的试验研究

利用自行研制的火灾加温试验炉及相关测试装置,对2种不同连接方式共4榀组合钢框架在不同的火灾工况下的火灾变形性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火而节点不受火和梁、板受火而柱、节点不受火2种。试验中量测了炉温,H型钢梁、柱及钢筋混凝土楼板中的温度分布,结果表明:裸钢的温度相差很小,而埋入混凝土中的钢的升温曲线与裸钢的有较大差异;混凝土的升温曲线则与钢的升温曲线差别较大,加温初期不久由于混凝土凝结水等的原因致使温升曲线存在有一平缓阶段,且随着距受火面距离增大混凝土的温升曲线有明显的滞后现象,当炉温和裸钢的温度开始下降时,混凝土的温度却仍在升高。该文对框架的变形和组合梁变形进行了分析,经比对2种连接方式组合钢框架的火灾行为后,给出了工程应用建议。     

基于SMCS模型的高强螺栓及节点火灾全过程断裂性能模拟

高强螺栓广泛应用于钢结构节点连接,火灾高温会影响其基本材性和断裂行为,从而影响螺栓节点抗火性能甚至整体结构抗倒塌性能。基于10.9级高强螺栓火灾全过程(升温段、降温段、火灾后)单轴拉伸试验结果,结合有限元模拟,对不同温度历程和应力三轴度对应的螺栓SMCS断裂模型进行校准,并与螺栓材性试验和T-stub节点试验结果对比验证;对T-stub节点火灾全过程断裂行为进行参数分析,研究损伤准则和温度历程对节点失效模式和变形特征的影响。结果表明：校准的SMCS模型能够有效、准确地预测螺栓和节点在火灾全过程和高应力三轴度(0.3～1.2)下的受拉断裂行为,适用预测误差在12%以内;拉伸温度和峰值温度是影响高强螺栓抗断能力的主要因素,螺栓抗断能力随温度升高而提高;不同温度历程下T-stub节点可能发生翼缘板屈服断裂、翼缘板和螺栓同时屈服断裂、螺栓屈服断裂三种失效模式,且节点的变形能力(延性系数)与失效模式有关,确定钢板母材和螺栓的断裂模型是准确预测节点失效模式的关键。     

火灾环境下钢构件升温过程的模型研究

对良好分层情况下的室内火灾进行建模，研究了实际火灾环境下的钢构件升温过程。在全尺寸的实验房间开展了油池火燃烧实验，通过不同的羽流模型和溢流模型，预测室内温度和钢构件温度的变化，并对羽流模型的适用性和影响计算的一些参量做了分析。最后对一个候机厅内钢架结构的零售商店的设定火灾进行构件升温预测。     

火灾环境下钢-混凝土组合梁力学性能试验研究

该文为研究组合梁桥在火灾环境下的基本力学性能与特征,制作具有代表性的3根缩尺梁模型:简支T形梁、简支箱形梁及连续箱形梁,利用火灾试验炉进行局部三面受火试验,并给出详细的试验方法。在试验过程中,分别观察组合梁常温下及火灾高温后的结构行为,量测火灾高温下组合梁的温度场,分析了结构的变形特点。通过对试验数据的深入分析与研究,可以发现火灾下钢-混凝土组合梁中钢梁为主要升温构件,且升温速度快,温度分布不均匀;混凝土顶板具有一定的吸热作用,但不应忽略其对钢梁升温及温度分布的影响;从实测变形看,钢-混凝土组合连续梁体系的抗火性能要优于简支梁体系。研究成果可以为组合梁桥防火灾设计与分析提供试验依据与理论参考。     

火灾作用下轻型钢构件(结构)温度场类相似理论研究

基于传热学理论,对火灾作用下轻型钢构件(结构)的温度场类相似理论进行了研究,提出了简化后的实验模型炉内升温曲线表达式,并对表达式进行了数值模拟与实验验证,同时对有、无非膨胀型防火涂料保护的轻型钢构件(结构)温度场类相似理论影响因素进行了对比研究。结果表明:采用理论推导出时间相似常数为1的实验模型炉内升温曲线表达式,可使实验模型温度与ISO834标准升温曲线作用下的原型结构温度相同,即火灾作用下轻型钢构件(结构)温度场类相似理论成立;实验模型炉温与钢材密度、比热成负相关关系,与比表面积、尺寸相似常数成正相关关系,对于非膨胀型防火涂料保护的轻型钢构件(结构)来说,还与涂料热阻成负相关关系,与涂料厚度相似常数成正相关关系。     

某超高层混凝土结构火灾作用下的力学响应分析

火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为,其主要特点是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化,进而引起结构体系内的内力重分布。目前,针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展,而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型,对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应,比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最后,采用Pushdown方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。     

部分预制装配型钢混凝土柱火灾后偏压试验研究

通过6个试件的火灾后偏压试验以及1个试件的常温下偏压试验,对配置活性粉末混凝土外壳的部分预制装配型钢混凝土（Partially Precast Steel Reinforced Concrete,PPSRC）柱和空心预制装配型钢混凝土（HollowPrecast Steel Reinforced Concrete,HPSRC）柱的火灾及火灾后偏压性能进行了对比分析。研究了受火时间、偏心率和核心混凝土强度对PPSRC柱及HPSRC柱的火灾下内部温度分布及火灾后剩余承载力、变形能力等方面的影响,并基于试验结构,对火灾下试件截面温度场进行了数值模拟分析。试验结果表明:火灾升温过程中试件截面测点温度存在明显的温度平台,火灾后试件的活性粉末混凝土外壳未发生爆裂现象,混凝土对型钢具有较好保护作用;模拟结果表明,截面温度及温度变化幅度由表及里逐渐降低,核心混凝土受到良好保护作用,温度相对较低;在偏压荷载下,火灾后试件的偏心受压破坏过程以及破坏形态和常温下类似,剩余承载力随火灾升温时间的增长和偏心率的增大而降低,随核心混凝土强度的增大而升高,试件的延性随核心混凝土的强度增大而增大。     

火灾损伤混凝土结构红外热像检测与评估

根据红外检测原理，采用红外热像技术对混凝土结构火灾损伤进行实验研究，给出了火灾损伤混凝土红外热像平均温或随时间的变化曲线，建立了混凝土红外热像平均温升与其受火温度及强度损失的回归方程，并运用上述检测模型对火灾损伤的混凝土建筑物进行了检测和评估。     

墙角火灾环境下钢构件温度分布及响应行为的实验研究

利用ISO9705标准火灾实验系统，模拟墙角火灾环境，以薄壁方管钢梁为研究对象，对钢构件在热、力耦合作用下的行为进行实验研究。对火灾的热释放速率与室内温度场，钢构件及其表面气体的温度、构件在火灾作用下的挠度进行测量，分析真实火灾下钢构件温升及温度分布的特点与火灾发展对构件挠度的影响。研究结果表明钢构件在长向上存在着很大的温差，而构件的挠度变化也并不对称，这说明以往研究中往往假设钢构件在长向上温度一致并不恰当，这种非均匀温度场对构件的行为有着重要影响，它使得构件高温区部分更易发生局部屈服而失效，在相同规模的     

火灾下混凝土框架梁内部温度场模拟计算与分析

在前人对高温下钢筋混凝土材料属性的研究基础上,结合火灾发生、燃烧、衰灭的整个实际过程,用国际标准化组织（ISO834）建议的建筑构件抗火试验曲线来代替火灾的升温过程,通过结构有限元分析方法,运用ABAQUS热力学有限元分析软件对三维混凝土框架梁进行火灾下的非线性瞬态温度场模拟分析,得出混凝土框架梁在火灾下沿Z轴方向的温度云分布图,对角节点的时间一温度曲线图,等温曲线图,总结温度场规律,确定不同位置的的温度值,为结构的极限承载力计算,热-应力分析,热-结构耦合分析奠定基础,以便对结构火灾后的安全性能评估与加固提供更科学、更合理的理论依据。     

三肢钢管混凝土格构式柱耐火性能分析

采用有限元法对三肢钢管混凝土格构式柱在ISO834标准升、降温火灾下的耐火性能进行了模拟。分析了该类构件在全过程火灾作用下达到极限状态时的破坏形态、轴向变形-时间关系曲线和各柱肢受力情况,并研究了升温时间比和荷载比对三肢钢管混凝土格构式柱是否在火灾降温阶段达到极限状态的影响规律。分析表明,三肢钢管混凝土格构式柱不仅会在火灾升温阶段达到极限状态,而且在火灾降温阶段也可能达到极限状态,且荷载比相同时升温时间比越大,或升温时间比相同时荷载比越大,柱越有可能在火灾降温阶段达到极限状态,且降温破坏时间越小。     

单向面内约束混凝土双向板火灾试验及承载力分析

为研究混凝土板在面内约束作用下的火灾行为,对1块面内约束混凝土双向板进行了恒载-升温条件下的火灾试验,获得了试验板沿板厚的温度场分布、钢筋温度、板挠度和平面外变形以及板角约束力等规律。基于EC2和ASCE两本构模型,采用五种理论对四块不同面内约束作用下试验板的极限承载力进行对比分析。结果表明:单向面内约束作用时,试验板板顶出现沿约束力方向的平行裂缝;与挠度相比,板在垂直约束力方向的平面内膨胀变形较大且不可忽略;面内约束作用和破坏准则对火灾下混凝土双向板极限承载力有重要影响。     

某框支砌体结构火灾倒塌事故的模拟与分析

火灾下建筑结构的倒塌是整体结构系统的力学行为。由于整体结构火灾试验难度较大, 数值模拟是研究整体结构火灾行为的重要手段。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型以及生死单元技术, 对一实际框支砌体结构的火灾倒塌事故进行了分析, 模拟了整体结构在火灾作用下的倒塌过程, 指出了引起结构火灾倒塌的关键原因, 并根据数值分析结果对火灾下抗连续倒塌设计提出了改进建议。     

钢结构火灾反应相似模型及试验研究与分析

为采用缩尺模型研究火灾下整体钢结构的火灾反应,首先基于火场相似关系以及热传导分析理论推导了钢结构火灾反应相似关系模型,其次根据建立的火场与结构相似关系模型分别设计了1/4和1/8缩尺火场试验模型与钢框架结构试验模型,并对其进行了缩尺火灾试验研究,对比分析了空气温度、结构温度、结构变形与结构破坏规律。结果表明:烟气温度、结构温度、结构变形表明结构火灾反应相似模型具有较好的合理性和准确性,承载力与稳定性也满足相似模型;温度相似比为1以及相同的火场和结构时间相似比可以简化相似模型;缩尺模型试验需要严格控制火场维护结构的变形以及外界通风条件,才能保证结构在高温破坏阶段后的相似性。     

火灾温度与Q235钢晶粒度和硬度关系的研究

模拟典型火灾温度－时间曲线，对热轧的Q235钢钢筋进行受热处理，测定在不同火灾温度下Q235钢的晶粒度和硬度，给出了Q235钢的晶粒度和硬度与火灾温度之间的定量关系，提出了通过测定Q235钢晶粒度和硬度的大小来估算火场中不同部位的火灾温度的科学方法。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料螺栓连接结构在拉伸载荷下损伤过程的声发射分析

采用声发射技术对不同几何尺寸的碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）螺栓连接结构在静力载荷下破坏行为进行了试验研究,比较了不同几何构型下的连接结构的破坏行为与声发射信号之间的映射关系。采用声发射技术对结构损伤过程中的声发射信号进行全程采集与转换,结合CFRP螺栓结构的载荷-位移曲线和宏/细观破坏形貌,分析了幅值、熵曲线和Andrews曲线与破坏行为之间的关系。结果表明:挤压与剪切破坏试件的载荷-位移曲线均呈现出较明显的塑性特征。结构发生挤压和剪切破坏时,声发射信号以中幅值信号为主,并伴随少量高幅值信号;结构发生拉伸破坏时对应的幅值为中幅值信号。根据熵曲线特征将CFRP连接结构破坏过程分为四个阶段,在损伤演化阶段发生纤维断裂、分层等失效模式,在结构失效阶段以分层失效为主。基于Andrews曲线分析得到挤压和拉伸失效模式在损伤演化阶段会出现多种损伤类型,剪切失效模式在结构失效阶段会出现多种损伤类型。      

火灾后碳纤维布约束混凝土棱柱体受力性能试验研究及分析

目前,火灾后CFRP约束混凝土棱柱体应力-应变关系模型尚未发现,给混凝土受压构件火灾后碳纤维布加固力学性能的研究带来了极大的不便。该文综合考虑多种影响因素,对火灾后CFRP约束混凝土棱柱体应力-应变关系进行了试验研究。试验结果表明,火灾后CFRP约束混凝土棱柱体能大幅提高其强度;火灾后CFRP约束混凝土棱柱体在曾达最高温度,转角半径、CFRP用量相同的情况下,布幅宽因素对其特征参数和应力-应变全曲线的影响较小;温度因素、用量因素以及转角半径因素对火灾后CFRP约束混凝土棱柱体的特征参数均有不同程度的影响。根据试验结果提出的火灾后CFRP约束混凝土棱柱体的应力-应变关系模型与试验曲线大致吻合,具有较好的精度,为混凝土结构火灾后加固的精确计算奠定了可靠的基础。     

火灾下拉剪组合作用对高强螺栓节点性能影响的试验研究

火灾中节点的承载力随着温度的升高而降低,高温下梁的悬链线效应在梁内产生较大的拉力,高强螺栓连接节点通常在拉剪共同作用下发生破坏。采用自定义双线性炉温控制曲线,进行两类共8组高强螺栓连接节点的恒载升温试验,分析了端板式连接和腹板双角钢连接两类节点在高温以及拉剪共同作用下的变形发展及破坏规律。试验结果表明:高强螺栓连接节点区的梁端板、连接角钢、柱上翼缘及高强螺栓的温度接近,且较梁柱构件温度低50℃左右;节点刚度随着温度的升高而降低,且大约在节点温度达到500℃后刚度下降速度明显加快;火灾下8mm端板节点的变形集中于拉力较大侧端板及螺栓,16mm端板节点的变形则集中于拉力较大侧螺栓及柱上翼缘;腹板双角钢连接节点主要是角钢产生较大变形;两类节点失效温度随拉力或剪力的增加而减小,且同类节点在不同拉剪组合作用下的残余变形模态类似。     

火灾后钢筋混凝土框架结构的二阶分析

本文利用火灾后钢筋混凝土构件的截面变矩－曲率恢复力骨架曲线特征参数的统计，采用结构工程分析中常见的杆系模型，对火灾后钢筋混凝土框架结构进行二阶分析，可为灾后结构的整体强度诊断和加固分析奠定基础。