Research on fire resistance test of a steel frame building under spreading fire

为研究蔓延火灾下钢框架结构建筑室内火灾温度场、钢构件温度分布和位移的发展规律，对1个足尺的两层钢框架结构进行蔓延火灾试验，测量试验区域内关键位置的空气温度、钢构件温度和位移。试验结果表明：试验中火源房间内的火灾过程呈现4个明显的发展阶段，受火70min时室内火灾达到全盛，测得火灾烟气层最高温度730℃；受火82min时火灾从火源房间蔓延至邻近房间，导致了邻近房间内各受火钢构件温度峰值出现在不同时刻，同时，各构件历经扩散热烟气加热、直接受火加热和冷却降温3个阶段，呈现反复升降温的受火过程；受火过程中，钢构件温度变化显著滞后于火场温度，受火钢柱先后升温产生向上的轴向变形。与传统室内火灾相比，蔓延火灾扩大了火场范围和钢结构受火范围，对结构安全和人员安全造成更大威胁，因此在进行结构抗火设计时应得到充分考虑。     

单室墙角火壁面烟熏痕迹特征研究

为研究单室墙角火火灾壁面烟熏痕迹特征，采用1/3尺寸火灾试验还原单室墙角火火灾，测定壁面不同点的温度及烟气蔓延速度，研究火源在不同位置时的壁面烟熏痕迹特征；利用PyroSim软件模拟烟气蔓延过程。结果表明：火源位于房间中间时，在屋顶呈现圆形痕迹；火源在墙角时，两边侧墙和墙角顶部形成明显烟熏痕迹；墙角火在墙角位置的温度和烟气蔓延速度高于房间中间起火；试验结果与模拟结果吻合。试验结果可为调查墙角火火灾提供理论及试验依据。     

足尺钢框架结构真实火灾下耐火性能试验研究

为分析真实火灾下整体钢框架结构的耐火性能，设计了一个平面尺寸为6 m×6 m、单层层高为3 m的两跨两层钢框架足尺结构，并进行三种火灾工况下的真实火灾试验，研究了住宅火灾、仓库火灾及无防护火灾条件下的试验现象、实际温度场和力学响应。结果表明：真实火灾下钢框架的升温曲线与标准升温曲线有较大差别；受火房间的空气温度沿竖直方向呈现不均匀分布，沿水平方向温度趋于相同；防火保护使构件表面温度滞后于火场温度，且表面温度峰值和峰值后的下降速率均小于无防火保护构件的；火荷载密度增大及防火保护的缺失都将增加钢梁轴向的温度差，但不影响沿钢梁和钢柱截面方向以及钢柱轴向的温度梯度变化规律；钢梁和混凝土板相较钢柱具有更高的温度；钢框架结构设计应充分考虑防火保护，且可适当考虑墙体对建筑抗火性能的有利作用。     

高海拔隧道全尺寸火灾烟气及温度场特征试验研究

通过对海拔为4100m的高海拔隧道进行全尺寸火灾试验,揭示高海拔隧道火灾烟气下沉及温度场变化特征。试验采用三种不同尺寸火源(0.8m2、1.0m2、2.0m2),对隧道火灾烟气蔓延特征、火区最高温度、隧道拱顶纵向温度分布进行研究。试验研究结果表明：隧道火灾试验初期及燃烧稳定阶段,火源附近隧道上层烟气与下层冷空气分界明显,火灾后期烟气下沉严重;较小风速有利于高海拔隧道小规模火灾烟气逆流层纵向和垂向蔓延的控制。隧道火灾温度场研究表明：隧道火灾温升速率随火源热释放率增大而增加;火源附近20m范围内温度衰减速率较快,远火源区域隧道拱顶纵向温度衰减较慢,趋于平缓;通过对火源上方拱顶烟气温度分析,发现隧道火灾探测采用差温报警模式较定温报警模式更加有效,并得出10℃/min的温升速率可基本满足高海拔隧道小规模火灾的初期报警;隧道拱顶纵向温度分布规律导致火源远场烟气下沉严重而近火源区域烟气层化较好的特征。高海拔隧道火灾温度分布特性试验研究,可为高海拔隧道火灾动力特性研究提供依据,为高海拔隧道人员疏散逃生提供指导及建议。     

火灾全过程钢结构温度预测及试验研究

为研究火灾全过程中钢结构整体稳定性,对火灾中受火钢构件温度变化规律进行研究。分析受火钢构件温度变化原理,重新选择预测模型中关键参数的取值。介绍相关试验设计方案,分5个工况研究钢构件及室内烟气温度变化。对比试验结果和预测值,验证模型的准确性。试验结果表明,修正过后的预测模型可以准确的预测火灾全过程中钢结构温度变化,尤其是衰退阶段时钢结构温度变化规律。     

超大空间火灾钢构件危险性分析简化方法

确定350℃为高大空间钢结构耐火的临界安全温度,提出了高大空间钢结构坍塌风险评估方法。基于热平衡方程建立了受火钢构件温升计算方法,方法中包含了火源辐射对钢构件的热作用、烟气辐射对钢构件的热作用以及烟气热对流对钢构件的热作用。分析某钢结构仓库内部发生15 MW火灾时,屋面钢结构的稳定性。结果表明,建筑面积小于6 000 m2且建筑高度小于8m的高大空间钢结构内部发生15 MW火灾时,屋面钢结构存在坍塌风险。     

室内火灾作用下正交胶合木结构受火性能研究

为了研究室内自然火灾作用下可燃的正交胶合木(cross laminated timber, CLT)对CLT房间火灾荷载的贡献和不同层板组成的CLT对火灾的动态影响,开展4次内表面受火面积不同、板材层板组成不同的CLT房间自然火灾试验,直接受火CLT面积占CLT房间内表面积百分比分别为0%、19.8%、36.4%和87.6%;并以双区域模型为基础,建立考虑炭化层脱落的CLT结构室内自然火灾温度场计算模型,对CLT房间火灾试验进行模拟,分析双区域模型应用于CLT结构自然火灾时的有效性及局限性。试验结果表明：CLT受火面积对室内自然火灾发展过程及热量释放影响显著,随着CLT受火面积的增大燃烧速率显著提高,火灾的热释放速率增大;炭化层是否脱落对火灾发展过程影响显著,炭化层脱落时间及区域存在随机性;CLT单层层板厚度越薄,炭化层越早发生脱落;考虑CLT燃烧及炭化层脱落的双区域模型可一定程度上准确模拟CLT房间自然火灾室内空气温度,但是火灾降温阶段双区域模型预测的温度始终低于试验温度。     

Experimental study on fire performance of cross laminated timber structure exposed to compartment fire

为了研究室内自然火灾作用下可燃的正交胶合木(cross laminated timber, CLT)对CLT房间火灾荷载的贡献和不同层板组成的CLT对火灾的动态影响，开展4次内表面受火面积不同、板材层板组成不同的CLT房间自然火灾试验，直接受火CLT面积占CLT房间内表面积百分比分别为0%、19.8%、36.4%和87.6%；并以双区域模型为基础，建立考虑炭化层脱落的CLT结构室内自然火灾温度场计算模型，对CLT房间火灾试验进行模拟，分析双区域模型应用于CLT结构自然火灾时的有效性及局限性。试验结果表明：CLT受火面积对室内自然火灾发展过程及热量释放影响显著，随着CLT受火面积的增大燃烧速率显著提高，火灾的热释放速率增大；炭化层是否脱落对火灾发展过程影响显著，炭化层脱落时间及区域存在随机性；CLT单层层板厚度越薄，炭化层越早发生脱落；考虑CLT燃烧及炭化层脱落的双区域模型可一定程度上准确模拟CLT房间自然火灾室内空气温度，但是火灾降温阶段双区域模型预测的温度始终低于试验温度。     

真实火灾下单层门式刚架抗倒塌性能试验研究

设计完成了一个单层单跨门式刚架厂房的足尺火灾试验,得到了主要构件的温度及位移发展规律,分析了真实火灾下门式刚架厂房结构的受力响应。结果显示：真实火灾下门式刚架的温升曲线与标准升温曲线有较大差别,燃烧室中的上部构件达到较高温度而提前失效,下部构件温度较低;在火灾下,未做防火保护的钢结构很短时间内就会发生垮塌,在火场及构件到达峰值温度前结构已产生较大位移。试验研究发现,受火柱的柱顶出现了热膨胀伸长、轴向压缩、轴向破坏三个阶段,且受顶部热烟气聚集的影响,各柱的柱顶轴向位移均大于柱中位移。试验成果可为门式刚架结构抗火数值模拟研究及结构防火设计提供参考。     

钢框架边跨梁抗火性能试验研究和理论分析

对3层钢框架结构边跨梁在火灾作用下的性能进行足尺试验研究,试验中测量了炉温、钢梁和混凝土板沿截面高度的温度场分布以及钢梁和混凝土板的竖向位移。结果表明：钢梁下翼缘、腹板和烟气的温度基本一致;混凝土板内的温度滞后于钢梁温度,且在钢梁降温阶段,混凝土板温度持续升高,因此混凝土板限制了钢梁升温阶段的膨胀和降温阶段的收缩;钢梁在122 min的升温过程中变形较小,且在升温阶段变形就开始恢复,最终出现向上的竖向位移,这是框架结构中钢梁火灾行为区别于单个构件火灾行为的特点之一,表明框架结构中与混凝土楼板形成整体的边跨梁具有较强的抗火性能;最后钢梁上下翼缘焊缝被拉裂破坏,因此在工程应用中应尽量避免工地现场施焊的全焊接节点。利用非线性有限元软件对试验梁进行了火灾反应分析,得出了试验梁的温度场分布和位移反应的变化规律。有限元分析结果和试验结果基本一致,验证了有限元分析模型的正确性和可行性。     

Performance of concrete block and steel panel stoppings in a simulated mine fire

The U.S. Bureau of Mines constructed a facility in the multiple-entry section of its Bruceton Experimental Mine to evaluate the fire endurance of mine stoppings. The test stopping (up to 6 ft high by 18 ft wide) is subjected to a 70 min, 75,000 Btu/min liquid fuel tray fire. The stopping and adjacent areas are instrumented with thermocouples and heat flux gauges.Two 8 in. thick concrete block stoppings and a galvanized steel stopping were evaluated in four tests. A crack developed on the fire-exposed surface of both block stoppings where the flames were most intense. However, the unexposed surface of the stoppings was undamaged and its maximum temperature was about 80°C. The steel stopping retained its structural integrity during the test. The temperature of the unexposed steel surface reached 490°C, but combustible materials located 1 ft from the surface did not ignite. Heat energy transmitted across the steel stopping was approximately halved when a 3/4 in. thick coating of construction plaster was applied to its fire-exposed surface. All stoppings prevented the passage of flame and smoke.     

火灾降温阶段型钢混凝土框架结构受力性能研究

在火灾降温阶段,结构构件的截面部分区域升温的同时,也有区域在降温,结构受力性能较为复杂,建筑结构更易发生倒塌破坏。为研究火灾降温阶段型钢混凝土框架结构的受力性能,通过已有火灾升降温条件下型钢混凝土框架及柱的受力性能试验,得到了构件截面的温度-时间关系曲线、结构变形-时间关系曲线,以及升降温过程中框架及柱的破坏形态。同时,采用有限元模型对升降温过程中型钢混凝土框架及柱的受力性能进行分析。结果表明：在火灾降温阶段,构件截面的升温区和降温区的范围在逐渐变化,截面的应力也随之发生变化。在此阶段,构件截面内部温度升高导致材料强度降低,截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低,截面内外温差导致截面周围出现拉应力。上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。相较于受火前,结构温度降至室温时结构的刚度降低、变形增加。     

Mechanical performance of steel reinforced concrete frame structures during fire including a cooling phase

在火灾降温阶段，结构构件的截面部分区域升温的同时，也有区域在降温，结构受力性能较为复杂，建筑结构更易发生倒塌破坏。为研究火灾降温阶段型钢混凝土框架结构的受力性能，通过已有火灾升降温条件下型钢混凝土框架及柱的受力性能试验，得到了构件截面的温度-时间关系曲线、结构变形-时间关系曲线，以及升降温过程中框架及柱的破坏形态。同时，采用有限元模型对升降温过程中型钢混凝土框架及柱的受力性能进行分析。结果表明：在火灾降温阶段，构件截面的升温区和降温区的范围在逐渐变化，截面的应力也随之发生变化。在此阶段，构件截面内部温度升高导致材料强度降低，截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低，截面内外温差导致截面周围出现拉应力。上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。相较于受火前，结构温度降至室温时结构的刚度降低、变形增加。     

A fire test on continuous reinforced concrete slabs in a full-scale multi-story steel-framed building

To further understand the fire behavior of concrete floor slabs, this paper examines the results of a fire test on continuous concrete floor slabs in a full-scale three-story steel-framed building. The case under experimental study models the reality of fire conditions more closely than previous tests and involves the construction of a special furnace on the building's second floor to heat four panels (two by two) and steel beams on the third floor. The experimental results are investigated in detail and consider the furnace temperature, temperature distribution, vertical and horizontal deflections, and failure patterns of the structural elements during the heating and cooling phases. The testing data indicate that the number and locations of the heated panels in the floor also have a considerable effect on the continuous concrete floor's fire behavior, apart from the boundary constraint conditions provided by the adjacent structural members. In addition, the steel beams exhibit better fire-resistant performance than that observed in standard fire tests depending on their structural integrity and the interaction between structural members. In contrast to its high-strength bolt connections, the building's welded-bolted connections do not cause local buckling of the steel beams subjected to fire.     

火灾下门式钢刚架倒塌试验与雷达位移测试系统有效性研究

近年来火灾下钢结构倒塌造成消防官兵伤亡的事故频繁发生,亟需开展建筑火灾倒塌预警研究。现有研究已表明：可以通过测量门式钢刚架柱顶和屋脊处的微变形来预测火灾下结构的倒塌,但由于高温和热烟气的存在,火灾下位移的实时测量问题尚需研究。该文通过试验方法研究雷达在实际火场位移测量中的可行性,首先设计一个缩尺单跨门式钢刚架的火灾试验,得到结构的升温特点和位移变化规律;采用雷达位移测试系统对门式钢刚架火灾试验的关键点位移进行了测量,并与传统拉线位移测试系统的测量结果进行对比,验证雷达位移测试系统用于火灾条件下的结构位移实时测量的有效性与准确性;采用有限元软件ABAQUS模拟火灾下刚架的倒塌过程,数值模拟发现：考虑了次要构件约束作用的三维结构分析模型,可以较准确地模拟火灾下门式钢刚架的倒塌过程。     

不同火灾工况下钢梁-钢管混凝土柱平面框架受火全过程分析

采用多尺度建模方法建立了考虑钢材高温蠕变的三层三跨钢梁-钢管混凝土柱平面框架火灾全过程热-力耦合数值模型,研究不同火灾工况下平面框架经历常温加载、恒载升温、降温和火灾后等不同受火阶段的力学性能。在与已有试验对比验证的基础上,分析了框架经历升温和降温后受火钢梁跨中挠度和受火柱顶轴向变形与升降温时间关系,计算了火灾后框架底层柱底水平荷载P-框架顶层水平位移Δ关系曲线。研究结果表明：钢材的高温蠕变是钢材在热力耦合作用下应变的一部分,计算过程中需要考虑其影响;钢梁在升温过程中由于高温膨胀对框架柱产生外推作用,而进入降温阶段后钢梁产生明显的收缩变形;框架底层三跨同时受火时钢梁跨中挠曲变形最大,受火初期柱顶轴向压缩变形小于膨胀变形;受火后框架水平承载力和初始刚度均随受火区域的增大呈下降趋势。     

截面温度不均匀受约束钢柱抗火性能试验研究与有限元分析

截面温度不均匀钢柱火灾下将发生热弯曲及扭转屈曲破坏,同时对热变形的约束导致钢柱内在升温阶段产生附加压力,在降温阶段出现附加拉力。分别考虑3种约束刚度比和3种截面温度分布形式,进行了9根受约束钢柱的抗火试验,量测了受约束钢柱达到最大轴力时的温度（屈曲温度）、轴力恢复至初始荷载对应的温度（临界温度）及破坏温度,研究其在火灾升温和降温阶段的受力性能、破坏特征。试验结果表明,截面温度不均匀导致钢柱在绕截面对称轴弯曲时同时发生扭转;约束刚度比越大,钢柱的屈曲温度越低,破坏温度与屈曲温度之差越大;截面温差越大,钢柱屈曲温度和破坏温度越高。同时对试验钢柱进行了有限元分析,分析结果与试验结果基本一致,验证了所建立的有限元分析模型的正确性。     

火灾下钢筋混凝土框架结构高温力学性能数值模拟研究

建立一个单层双跨钢筋混凝土框架模型,基于钢筋和混凝土材料的热工性能和高温力学性能,运用ABAQUS 有限元软件对框架结构进行单室和多室火灾模拟,研究不同火灾工况下,梁、柱构件及整体结构的温度场分布、变形特征和内力变化规律。结果表明：框架结构在单跨受火及双跨受火两种不同受火情况下,双跨受火梁及边柱的温度场与单跨受火时相同,而中柱及节点核心区的温度分布存在差异;节点核心区温度较周围的梁段和柱段明显偏低;受火方式及框架柱的轴压比对框架结构高温力学反应存在显著影响。