火灾下约束钢梁的受力性能及抗火设计方法

采用有限元方法分析了火灾下约束钢梁随温度升高时的反应并与已有的试验结果进行了验证。进一步分析了梁的轴向约束、梁端转动约束以及荷载比对约束钢梁受力性能的影响。总结了约束钢梁在火灾下的变形及轴力的发展规律。最后提出了约束钢梁的实用抗火设计方法,可供结构抗火设计时参考。     

高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能的影响

高温和荷载共同作用下钢材产生明显的蠕变变形,对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大影响。为了研究钢材高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能的影响,采用ANSYS有限元软件建立约束钢梁结构分析模型,引入普通钢材高温力学性能和蠕变特性,分析了约束普通Q345钢梁的火灾响应,并与试验结果进行了对比,验证了模型的正确性。采用验证后的模型,引入高强度Q460钢材的高温力学性能和蠕变模型,分析了高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能影响的程度,并将约束普通Q345钢梁和高强度Q460钢梁的抗火性能进行了对比。最后对考虑蠕变效应后影响约束高强度Q460钢梁的抗火性能参数进行了分析。研究表明,钢材高温蠕变对约束高强度Q460钢梁的抗火性能影响很大,蠕变不利于约束Q460钢梁抗火承载力的发挥;约束高强度Q460钢梁比普通Q345钢梁的抗火性能好,约束钢梁的极限状态可以按钢梁达到轴向最大拉力时进行设计。     

翼缘宽厚比对约束钢梁抗火性能的影响研究

为了研究翼缘宽厚比对高温下钢梁抗火性能的影响,使用ANSYS有限元程序模拟火灾升温条件下的约束钢梁,通过建立模型,时钢梁进行热-结构耦合作用的计算。计算结果显示：钢梁截面温度为非均匀分布,约束钢梁在火产生的温度应力下会发生较大的挠度。通过比较轴力、挠度等随温度变化的规律,分析不同翼缘宽厚比对钢梁抗火性能的影响。     

梁端受框架约束的平端板连接组合节点抗火性能试验研究

对梁端轴向约束作用下平端板螺栓连接组合节点的抗火性能进行了试验研究。试验共设计制作四个试件,一个为梁端无轴向约束的组合节点抗火试验试件、两个为梁端受框架约束的组合节点抗火试验试件,另一个梁端无轴向约束的组合节点试件作为对比试件,进行常温下受力性能试验,以研究梁端轴向约束对组合节点耐火性能的影响。试验结果表明,常温下组合节点因柱腹板受压屈曲而破坏。火灾作用下组合节点温度场分布不均匀,组合节点均出现梁下翼缘屈曲,但二者在梁下翼缘屈曲后的受力行为不同。梁端无轴向约束组合节点在梁下翼缘屈曲后承载力迅速降低;而梁端有框架约束的组合节点在梁下翼缘屈曲后由于钢梁出现悬链线效应（在梁大挠度情况下,梁内轴力由压力转为拉力来承受竖向荷载）,节点由压弯受力转为拉弯受力,表现出较好的承载能力和变形能力。试验反映了组合节点在结构中与梁的相互影响和共同作用,为理解火灾下组合节点在梁轴力影响下的结构反应、承载机理和破坏模式提供了依据。     

耐火钢梁的抗火性能参数分析与抗火设计

介绍了耐火钢的高温性能参数及火灾下耐火钢构件的升温计算 ,利用ANSYS有限元分析软件所建立的火灾升温条件下耐火钢梁的非线性有限元分析模型 ,进行了大量的参数分析 ,研究各种参数的变化对耐火钢梁抗火临界温度的影响 ,进而提出耐火钢梁抗火设计的简便方法。最后通过算例验证了方法的可靠性。     

蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显蠕变变形,影响火灾中结构的变形和受力性能。现有的蠕变模型较多,但没有一个广泛适用的蠕变模型。不同的蠕变模型对钢结构抗火分析结果有很大影响。为了量化蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响,对5种常用的蠕变模型进行了对比分析。采用编写的约束钢梁计算程序,分别计算5种蠕变模型下约束钢梁的抗火性能并与试验数据进行对比。结果表明,采用Norton蠕变模型的计算结果与试验数据吻合最好。最后对影响约束钢梁抗火性能参数进行了研究,研究发现,Harmathy蠕变模型对约束梁抗火性能分析结果影响最大;不同蠕变模型对不同荷载比、约束刚度下的约束钢梁抗火性能影响程度均不同。     

约束钢梁抗火性能研究进展分析

约束钢梁的性能是近年来建筑结构领域的热点研究领域之一,其火灾特性尤为重要。文章总结了约束钢梁抗火性能研究现状,对高温性能研究进展方面进行了概括,在已有研究成果的基础上,考虑了悬链线效应、蠕变效应等因素对约束钢梁的影响,最后对约束钢梁抗火研究领域进一步的工作进行了探讨和展望。     

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。     

考虑结构整体性的约束组合梁抗火性能参数分析及实用计算方法

由于结构的高次超静定,处于结构整体中的约束构件与单个独立构件的抗火性能具有很大不同,这已在Cardinton试验以及一些火灾现象中得到了证实。影响约束组合梁抗火性能的参数很多,采用试验的方法研究这些参数的影响代价很高,本文利用经过试验检验的理论分析方法分析了荷载比、约束刚度、钢梁与混凝土相对面积比等对约束组合梁抗火性能的影响。并根据参数分析结果给出了考虑结构整体性影响的组合梁抗火实用计算方法,最后通过实例说明了实用抗火计算方法的应用。     

轴向约束PEC柱-组合梁节点抗火性能研究

建立轴向约束PEC柱-组合梁节点(绕强轴)有限元模型,分布其火灾下的温度场分布及力学性能,研究柱上火灾荷载比、梁上火灾荷载比、轴向约束刚度、梁柱线刚度比对节点抗火性能的影响。结果表明,下部受火条件下,节点区温度由上到下、由外到内呈递减趋势,梁截面温度从混凝土板顶到钢梁下翼缘呈减小趋势;破坏时节点整体变形呈"飞机型",梁端下翼缘出现局部屈曲;随梁上火灾荷载比、梁柱线刚度比的增加,节点转角陡增对应时间缩短;柱上火灾荷载比、轴向约束刚度对节点转角的影响不显著。     

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。     

火作用下梁行为的基本原理

近年来 ,对钢框架复合结构的抗火试验和理论研究结果表明 :直到结构破坏以前 ,控制结构在火中反应的是由热膨胀和热弯曲引起的应力及位移而不是材料性能的退化。给出了梁在受热膨胀和热弯曲作用时反应的基本原理 ,并在分析单个梁在热作用和周围结构约束共同作用下的反应基础上进行了阐述     

A Numerical Study on the Thermo-mechanical Response of a Composite Beam Exposed to Fire

This study presents an analytical framework for estimating the thermo-mechanical behavior of a composite beam exposed to fire. The framework involves: a fire simulation from which the evolution of temperature on the structure surface is obtained; data transfer by an interface model, whereby the surface temperature is assigned to the finite element model of the structure for thermo-mechanical analysis; and nonlinear thermo-mechanical analysis for predicting the structural response under high temperatures. We use a plastic-damage model for calculating the response of concrete slabs, and propose a method to determine the stiffness degradation parameter of the plastic-damage model by a nonlinear regression of concrete cylinder test data. To validate simulation results, structural fire experiments have been performed on a real-scale steel–concrete composite beam using the fire load prescribed by ASTM E119 standard fire curve. The calculated evolution of deflection at the center of the beam shows good agreement with experimental results. The local test results as well as the effective plastic strain distribution and section rotation of the composite beam at elevated temperatures are also investigated.     

方钢管混凝土柱-钢梁框架耐火性能分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能。基于有限元方法,分析了GB/T 9978（同ISO-834）加热条件下,带有混凝土楼板的方钢管混凝土柱-钢梁单向螺栓连接框架结构的温度分布、耐火时间和破坏模式,并对有限元模拟结果进行了试验验证,在试验结果基础上采用有限元方法分析了方钢管混凝土柱构件与方钢管混凝土框架柱的耐火极限差异。研究结果表明：与方钢管混凝土框架柱的其他区域相比,方钢管混凝土框架柱节点区的温度相对较低;根据本文建议的框架结构判定准则,当单向螺栓节点连接可靠,随着作用在柱和梁上荷载水平的变化,柱破坏模式和梁破坏模式是方钢管混凝土柱-钢梁框架的主要破坏模式;当框架梁上不施加荷载,只对框架柱起到约束作用,其他条件相同时,方钢管混凝土框架柱的耐火极限大于两端铰接柱构件的耐火极限,但小于一端固接一端铰接支撑柱构件的耐火极限。     

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。     

多层轻钢结构商品住宅的设计与施工

介绍了多层轻钢结构住宅的建筑和结构设计,包括围护材料选用,屋、楼面的选取,防火设计等,主体结构的选择与设计,钢结构的防火防腐处理以及砌体与钢梁柱处的防裂处理等。     

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。     

高层钢框架在不同火灾场景下的整体响应分析

利用有限元计算软件ABAQUS模拟高层钢框架结构在火灾作用下的响应.比较4种典型火灾场景下结构的变形及构件的内力变化规律.结果表明:相同规模的火灾下,层数较低的位置发生火灾后构件破坏的危险性更高;火灾沿上部楼层的防火分区蔓延与沿同一楼层其他防火分区的蔓延相比,前者梁的膨胀变形对柱的变形和内力的影响较为突出,对结构产生的...     

冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁受火试验研究

对5个冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁试件进行在ISO-834标准火灾下的受火试验。试验中考虑了荷载水平、防火涂层厚度和槽钢截面高度等参数的影响。试验结果表明：荷载水平、防火涂层厚度和槽钢截面高度是影响组合梁抗火性能的主要因素,其他因素影响很小;在ISO-834标准火灾下,以跨中挠度δ=l/25作为组合梁达到耐火极限的判别标准是合适的;填充混凝土可有效提高组合梁的整体刚度和延性,使其在高温下直至破坏仍可保持完整性,没有出现高温局部屈曲现象;在槽钢上直接涂刷防火涂层不能保证其与槽钢表面的紧密结合,需要改进组合梁的防火涂层施工工艺;试验结果验证了有限元分析结果的正确性。     

基于实际火灾场景的钢框架结构倒塌机制分析

采用ABAQUS建立无楼板的多层钢框架模型,采用顺序热-固耦合法,综合考虑实际火灾场景下局部火源位置、火源功率变化、非均匀分布温度场及火灾作用下梁柱失效进行分析,研究了在梁柱的受火形式和失效柱位置两种因素影响下钢框架结构的初始破坏机理与倒塌机制。结果表明：钢框架结构的连续倒塌始于受火柱的屈曲失效,与之相连的梁由于失去竖向支撑挠度增大并产生拉力,使内力重分布柱产生侧移,进而在火灾的持续作用下结构位移不断发展,破坏向周围扩散,最终导致结构发生连续性倒塌;当底层失效柱为角柱和边柱时,结构发生倾覆式连续性倒塌;当底层失效柱主要分布在结构对称轴上时,结构发生下沉式连续性倒塌,该类型倒塌发生较为突然。