高温与爆炸作用下轻钢柱动力响应与破坏模式数值分析

采用有限元数值分析方法,研究高温与爆炸荷载联合作用下轻钢结构柱的动力响应与破坏模式规律,在分析中考虑不同火灾温度与不同爆炸冲击荷载峰值,以及在相同爆炸荷载峰值下不同冲击荷载峰值出现时间等参数的影响。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立实体轻钢柱模型,根据欧洲规范3建议的升温曲线及不同温度条件下材料性能参数,确定钢材的弹性模量、剪切模量、屈服强度等参数。选定在特定温度点对钢柱施加爆炸荷载,分析时考虑应变率效应。数值分析结果表明:相同爆炸荷载作用下随着火灾过程中温度的升高,轻钢柱跨中变形增大,轻钢柱的损伤更明显;相同爆炸荷载峰值作用下爆炸荷载峰值出现时间越小,轻钢柱跨中变形越大;在高温下发生爆炸轻钢柱的变形要比常温的明显,由于高温使轻钢柱的材料性能急剧降低,使高温和爆炸荷载作用下的轻钢柱破坏模式明显不同于常温下的破坏模式。     

钢筋混凝土柱在冲击荷载作用下破坏模式的研究

推导了钢筋混凝土柱在冲击荷载作用下弯曲型变形与直剪型变形两种单自由度模型动力反应计算公式,并尝试将构件几何尺寸、材料力学性能以及冲击荷载都作为随机变量,考虑荷载不同持时及不同峰值,用打靶法计算了一个实例构件在瞬时冲击荷载作用下的破坏概率,为初步判断构件的破坏模式提供依据。计算结果表明荷载持时与峰值是决定结构构件破坏模式的重要因素。     

高温下钢筋混凝土受力性能的试验研究

本文介绍钢筋混凝土材料及其构件和结构在高温(火灾)下受力性能的试验研究概况.给出的主要研究成果和重要现象有标准的火灾升温-时间曲线;构件截面上的温度分布;高温下混凝土和钢材(筋)的强度和变形性能的劣化规律;混凝土的温度-应力耦合本构关系;受弯构件、轴心和偏心受压构件在四面受火和三面受火情况的主要性能,包括破坏特征、极限承载力和耐火极限、变形、荷载-温度途径的影响以及各种影响因素的分析等;连续梁和框架等超静定结构的高温性能,包括破坏特征和机构、塑性铰的特点、内力重分布过程以及极限承载力和耐火极限等.     

预应力混凝土梁在地震作用下的损伤-破坏模型

结构在地震作用下的损伤状况及其抵御破坏荷载的残余能力,是抗震优化设计和震后工程加固的重要依据。根据对预应力混凝土梁在不同荷载历程下的耗能、破坏特性的试验研究,本文提出了构件破坏的定义,给出了构件在循环荷载下的破坏弯矩与骨架曲线破坏弯矩的数学关系,建立了预应力混凝土梁在地震作用下的损伤-破坏模型。该模型综合了变形、能量累积以及荷载历程对预应力混凝土构件损伤-破坏的影响,对不同的地震模式有更好的适用性。     

温度和荷载共同作用下钢管混凝土短柱的性能分析

采用有限元模型研究温度与荷载共同作用下的钢管混凝土短柱的荷载-变形关系。该模型用来模拟一系列各种温度和力学加载条件下的钢管混凝土短柱试验,包括高温测试、常温下构件残余强度测试,以及无初始荷载的ISO-834标准温度下的构件测试。预测结果以及试验结果的对比表明:模型可以准确预测构件的荷载-变形关系。然后采用该有限元模型分析在具有初始荷载、加热和制冷条件下完全加载过程中的钢管混凝土短柱的性能,以观察构件横截面的应力分布和各个加载阶段的应力发展情况。所有构件在制冷过程之后都加载至极限强度,利用一系列参数对其残余应力进行了分析。结果发现:在温度和荷载共同作用下的构件极限强度,要比只有温度作用而无初始荷载的构件极限强度略低,但是在极限强度时,前者的最大应变显著增加。     

某超长工程筏板温度作用计算

对地下平面超长结构,在温度荷载作用下构件累计变形较大,为了减少温度及收缩等非荷载效应产生的裂缝,本文对温度荷载作用做了针对性的分析计算,并提出了相应的措施。     

某火车站建筑结构温度作用响应分析

在对温度荷载全面了解的基础上,确定几种可能的温度工况,利用某火车站建筑的ANSYS有限元模型对结构在不同工况下的温度作用进行计算分析,评价和讨论其主要受力构件如:梁、板、柱的内力(或应力)和变形特点。     

高层建筑结构抵抗竖向荷载的结构变形协调及鲁棒性分析

通过对高层建筑结构工程整体计算中竖向构件在竖向荷载作用下的内力分布变化的分析,揭示了竖向构件间结构变形协调的抗力机制,提出了完整建筑结构设计需经历结构变形协调分析、结构易损性分析及结构鲁棒性分析等三个层次的新思路,并建立了在竖向荷载作用下的结构变形协调模型、结构易损性模型及结构鲁棒性模型。     

高温下钢框架敏感构件评估方法

敏感性较大的构件受火时易使结构发生连续倒塌,引起结构安全性的降低,应提前加强保护。为了确定钢框架结构受火时可能引起结构连续倒塌的敏感构件,本文提出了一种高温下钢框架结构敏感构件的计算方法。使用ANSYS有限元软件进行数值模拟,提取构件在不同温度荷载作用下的应力值,计算得到高温作用下构件的敏感性系数,最终确定结构中最敏感的构件。     

冷弯薄壁四肢拼合箱形截面柱抗火性能研究

冷弯薄壁型钢四肢拼合截面柱是一种常用的拼合柱,主要用于多层冷弯薄壁型钢结构建筑结构中承受集中荷载。对8根拼合箱形截面柱进行了高温下整体稳定试验研究,主要考虑了不同的温度纵向分布模式和螺钉布置方式对其抗火性能的影响。试验中测得了炉温、柱温、轴向荷载、轴向位移和侧向位移等,并且得到了钢柱在高温破坏后的残余变形。根据试验结果可以判断钢柱在高温下首先发生整体屈曲,再发生局部屈曲,最后在二者相互作用下失去承载能力。试验结果表明：当螺钉间距小于300 mm时,构件截面的协同变形能力良好,单肢构件间未出现分离的现象,且随着螺钉间距减小,钢柱失效的临界温度有较大的提升;在拼合柱端部设置抗剪螺钉群对其抗火性能的提升不明显;当构件由全长受火变为上半部分受火时,构件侧移最大点位置会由中部区域向上移动靠近柱端,且达到耐火极限时,钢柱失效的临界温度升高。基于ABAQUS建立了有限元模型,模型中考虑了材料与几何非线性以及高温下螺钉的抗剪刚度。有限元模拟结果与试验结果对比发现,该有限元模型不仅可以很好地模拟该类构件高温下的变形,也可准确地预测其耐火极限与临界温度。     

大跨度索穹顶结构抗火性能分析

根据内蒙古伊旗全民健身体育中心工程设计的需要,对大跨度索穹顶结构进行抗火性能分析。以温度-结构耦合为基本方法,基于大空间空气升温模型,考虑高温下材料的非线性,分析了结构在不同火灾工况下的响应,得到火灾下索穹顶结构变形、节点位移、杆件预应力损失的基本规律。研究表明：肋环型索穹顶结构侧向刚度较弱,对偏心火灾敏感,火灾下的挠度超限和侧向变形是导致结构失效和非结构构件提前破坏的主要原因;脊索尤其内脊索是火灾下预应力损失较为严重的杆件,中撑杆侧向位移控制是肋环形索穹顶结构抗火设计的重点。针对肋环形索穹顶结构侧向刚度较弱的缺点,在中撑杆上节点部位加设一道环向杆件进行结构体系的改进,可使结构的抗火性能得到较大改善。     

高层钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗火性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS,对高层钢管混凝土柱-钢梁组合框架不同区域发生火灾的情况进行数值模拟,研究高温下各构件的温度场分布以及不同区域框架受火时的变形情况、耐火极限、应力分布状况。结果表明：在考虑楼板有利作用下,钢梁上翼缘的温度最低;高层建筑的底层变形最大、耐火极限最短、钢管的应力最集中、核心混凝土处于全截面受压状态。     

Survivability of steel frame structures subject to blast and fire

The lesson learned from the terrorist attacks on buildings is the need to assure structures’ ability to sustain local damage without total collapse. Some of the terrorist attacks take the form of blast followed by fire which may cause catastrophic failure of the structure. This paper presents a numerical model for analyzing steel frame structures subject to localized damage caused by blast load and subsequently investigating their survivability under fire attack. The proposed numerical method adopts a mixed-element approach for modeling large-scale framework and it is proven to be sufficiently accurate for capturing the detailed behaviour of member and frame instability associated with the effects of high-strain rate and fire temperature. Design implications related to the use of various numerical models for separate assessment of blast and fire resistance of steel structures and their components are discussed. Fire–blast interaction diagrams are generated to determine the fire resistance of columns considering the initial damage caused by the blast loads. A multi-storey steel building frame is analyzed so that the complex interaction effects of blast and fire can be understood and quantified. The frame is found to be vulnerable, as it possesses little fire resistance due to the deformation of key structural elements caused by the high blast load.     

考虑蠕变和残余应力释放的Q460钢柱抗火设计方法

承受荷载的钢结构在火灾下可发生明显的蠕变变形,钢结构中的焊接残余应力在火灾下也会一定程度地释放,因而高温蠕变变形和残余应力会对钢柱的耐火性能产生影响.为了准确地对高强度Q460钢柱进行抗火设计,有必要定量分析高温蠕变和残余应力释放对钢柱承载力的影响.采用电炉对2根焊接H形Q460钢柱进行耐火试验,得到无保护Q460钢柱...     

Fire performance of axially restrained steel reinforcedconcrete columns

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能，以荷载比、偏心率和含钢率为参数，开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式，研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时，施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱，高温下柱首先缓慢膨胀，然后逐渐压缩破坏；由于轴向约束分担了柱的竖向荷载，压缩变形随时间变化较为缓和，轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱，高温下其膨胀变形大于轴心受压柱，且膨胀变形先增加再减小；轴向约束增加了柱的竖向荷载，缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著，荷载比越大，耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时，偏心率越大，柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加，会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

轴向约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能,以荷载比、偏心率和含钢率为参数,开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式,研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时,施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱,高温下柱首先缓慢膨胀,然后逐渐压缩破坏;由于轴向约束分担了柱的竖向荷载,压缩变形随时间变化较为缓和,轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱,高温下其膨胀变形大于轴心受压柱,且膨胀变形先增加再减小;轴向约束增加了柱的竖向荷载,缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著,荷载比越大,耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时,偏心率越大,柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加,会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

单层钢框架火灾行为的试验研究

对单层足尺钢框架进行恒载下受火的试验研究,通过试验得出了单层钢框架在受火过程中梁、板及柱的温度场分布规律和变形情况,分析了钢框架在恒载和火荷载共同作用下的破坏特征、耐火极限以及影响它们的各种因素.试验结果表明:钢框架在火灾行为下的破坏特征与单个构件在火灾行为下的破坏特征有所不同.     

预应力叠合板抗火性能试验研究

为了解预应力叠合板在火灾中及火灾后的受力性能,制作了12块不同叠合层厚度的预应力叠合板,通过受火试验及受火后的静载试验,研究叠合板在高温和荷载耦合作用下的受力性能以及不同受火时间下受火后的受力机制和剩余承载力。结果表明：预应力叠合板在高温和荷载耦合作用下,叠合面将会产生水平裂缝,燃烧时间越长,这种现象越明显,甚至出现预制层与叠合层脱离;钢筋桁架对预应力叠合板的抗火性能具有重要作用,保证了叠合层与预制层脱离后板仍具有一定的整体工作性能;预应力叠合板在高温和荷载耦合作用下,将会产生顺筋裂缝,发生黏结破坏;受火后预应力叠合板再施加荷载,预制层与叠合层将会完全分离脱开,板的受力机制发生变化,由受弯构件转化为桁架结构;对于受火时间不超过60min、保护层厚度为20mm的预应力叠合板,其剩余承载力仍能达到未受火叠合板的80%以上;对于保护层厚度为20mm、预制层厚度为40mm、叠合层厚度不小于70mm的叠合板,其耐火极限可达2h以上。