大空间钢网架结构的性能化抗火分析

大空间钢网架结构常被用于人员密集场所的建筑屋盖.运用FDS火灾模拟软件对某工业厂房进行了火灾模拟,得到火灾发生发展的时间-温度曲线.运用ANSYS有限元软件对网架结构在不同位置发生的火灾进行了热-力耦合的位移和内力分析,为该类型结构的抗火设计和灭火救援提供一定的参考依据.     

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。     

高大空间火灾空气升温条件下整体网架抗火性能分析

为了研究网架在高大空间火灾空气升温条件下的抗火性能,结合某正放四角锥网架,采用有限元方法对网架在高大空间温度场下的抗火性能进行模拟分析。火源中心分别选择了3种不同位置对结构进行温度场划分和抗火分析。确定网架结构的耐火极限准则,得到不同工况下结构的极限抗火时间;研究不同工况下结构的内力、位移等响应变化过程及分布规律;同时对比分析各工况下网架结构抗火性能的差异。     

支承刚度对两向正交斜放网架抗火性能的影响

为研究支承刚度对两向正交斜放网架抗火性能的影响,利用非线性有限元分析软件ANSYS,建立两向正交斜放网架火灾高温下的热-结构耦合有限元计算模型,考虑不同荷载比下支承刚度的影响,对该模型在火灾均匀温度场中的全过程反应进行数值模拟计算,得到不同参数条件下两向正交斜放网架结构的临界温度及结构变形的特征.结果表明,采用同种支承刚度的两向正交斜放网架时,荷载比越小,临界温度越高,抗火性能越好;在相同荷载比情况下,两向正交斜放网架的临界温度值随着支座法向支承刚度的逐渐增大而呈现降低的趋势.     

局部火灾下多层钢-混凝土组合平面框架抗火性能分析

采用考虑高温蠕变的钢材热-力耦合本构关系及考虑高温徐变和瞬态热应变的混凝土热-力耦合本构关系模型,利用ABAQUS有限元分析软件建立火灾下钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁等构件以及节点和单层单跨框架结构的温度场和结构抗火分析的有限元分析模型,计算结果得到已有试验结果的验证。在此基础上设计一榀3层3跨钢-混凝土组合平面框架模型,建立局部火灾下该平面框架的温度场与结构抗火性能分析模型,研究局部火灾下钢-混凝土组合平面框架的抗火性能并分析其失效模式,对该平面框架的耐火极限、梁柱变形规律及柱底截面内力变化规律进行分析,并对是否考虑钢梁与混凝土板相互作用对框架梁抗火性能的影响进行研究,对梁先失效模式下框架梁与简支梁、固支梁的抗火性能进行对比分析,对柱先失效模式下钢管混凝土框架柱与两端固支钢管混凝土单柱的抗火性能进行对比分析。结果表明:梁先失效模式下考虑钢梁与混凝土板的相互作用可以充分发挥钢-混凝土组合梁的抗火性能,框架梁的抗火性能要优于简支梁且接近并略低于固支梁,柱先失效模式下两面受火时单个钢管混凝土边柱的抗火性能为框架边柱抗火性能的上限,两面受火与四面受火时单个钢管混凝土中柱的抗火性能与相应框架中柱的抗火性能较接近。     

钢-混凝土组合结构抗火性能研究与应用

钢-混凝土组合结构抗火性能研究是当前的研究热点之一,国内外学者对此展开大量试验研究和理论分析。通过介绍国内外研究者在组合板、组合梁、组合柱等构件以及结构节点和结构体系抗火性能方面研究概况,分析了我国现有防火设计规范的特点以及工程应用情况,指出现有研究的不足,对组合结构抗火研究领域在高温材料热-力耦合本构关系、计算理论、数值火灾试验和设计方法等方面需进一步研究的工作进行了展望。文中指出,建立考虑升降温、多轴应力状态、不同加卸载路径的钢材和混凝土热-力耦合本构关系,建立基于整体性能、考虑升降温全过程的结构抗火分析理论,建立整体结构数值火灾试验方法,提出“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估原则以及基于时变可靠度和结构整体性能的组合结构抗火设计方法是钢-混凝土组合结构抗火性能研究的关键科学问题。表2参119     

高温下钢网架重要构件评估方法

构件的重要性系数是评估结构抗连续倒塌性能的重要指标之一。本文运用结构鲁棒性研究方法与理论,分析结构局部升温损伤情况下构件应力变化量,推导了考虑温度因素作用下构件的重要性系数计算公式。运用ANSYS有限元软件,考虑温度的影响,对典型的正放四角锥网架模型进行数值模拟,得到钢网架结构受高温影响下重要构件分布规律。最后,本文提出了一种适用于高温下钢网架结构的重要性定量评估方法,为钢网架结构抗火设计提供一种新方法。     

两向正交正放网架抗火性能浅析

本文采用ANSYS非线性有限元软件,建立两向正交正放网架结构在大空间火灾作用下的热力耦合有限元模型,按温度增量加载的方法,考虑支座布置形式、温度场非均匀性等因素对结构抗火性能的影响.对结构在火灾中的全过程反应数值模拟结果表明,结构上弦压杆温度应力增长较快,邻近网架对称轴上弦压杆是网架结构的关键杆件;在实际的网架结构设计过程中需要严格地控制杆件的长细比,尤其是上弦杆件的长细比;支座布置形式对于两向正交正放网架抗火性能影响很大.上述的结论为确定影响正交正放网架抗火性能关键参数提供了参考,并为两向正交正放网架抗火设计提供理论依据.     

轴向约束杆件高温屈曲后强度对网架结构高温极限承载力的影响

局部火灾下,网架结构升温具有明显的非均匀性,结构中温度高的杆件热膨胀受到温度较低杆件的约束,使得网架结构的部分杆件具有显著的约束杆件高温力学特征。基于局部火灾下网架结构力学反应全过程数值追踪技术,考察结构升温非均匀性、结构荷载比、火源位置和结构跨度影响因素下,网架结构杆件高温屈曲后强度对整体结构抗火极限承载力的贡献。研究表明:当结构温度分布非均匀系数η在0.2≤η<0.6区间取值,且结构荷载比R在0.2～0.7范围内,杆件高温屈曲后强度对网架结构高温极限承载力有较大贡献;随着火源位置从网架几何中心偏移,杆件高温屈曲后强度对结构抗火极限承载力的贡献增大;随着网架跨度的增加,当结构荷载比R≤0.5时,杆件高温屈曲后强度对结构抗火极限承载力的贡献逐渐增大,当荷载比R>0.5时,杆件高温屈曲后强度对结构抗火极限承载力的贡献先逐渐减小然后转变为逐渐增大。上述研究结论可为建立网架结构第2阶段失效准则提供理论依据。     

新建昆明国际机场航站楼屋顶网架结构的抗火研究与设计

基于性能化方法对新建昆明国际机场航站楼屋顶网架结构进行了结构抗火设计.对大型网架结构整体抗火设计问题进行了探讨.推荐了一种钢结构抗火性能化设计的设计流程.介绍了抗火性能化设计中高大空间火灾下钢构件升温的实用计算公式.讨论大型网架结构抗火整体分析中的温度加载模型.推荐了适用于钢结构抗火整体分析中的荷载组合方法.     

火灾下大跨度弦支穹顶结构的性能分析

基于实用大空间火灾空气升温经验公式及预应力钢结构材料高温力学模型,采用考虑时间积分效应的非线性有限元数值分析法,建立了用于大跨度弦支穹顶结构抗火性能分析的数值模型。通过对大跨度弦支穹顶结构的抗火分析,研究结构的温度场分布、位移和应力特征以及支座约束条件对结构抗火的影响。分析结果表明:在火灾作用下,大跨度弦支穹顶结构具有较好的抗火性能,结构的抗火薄弱区域位于上层网壳的中心区域;火灾下引起弦支穹顶结构产生较大变形的主要原因是环向约束作用、材料升温膨胀以及结构刚度的降低。     

Performance-based analysis of large steel truss roof structure in fire

Due to the fast developments of large-space multi-functional architectures, large-span steel structures have been widely used in recent years. Therefore, the fire-resistance design of this kind of structures has attracted more attentions. Since traditional ISO834 standard fire curve is not suitable for large space structures, performance-based fire resistance design method is required. This paper presents the comprehensive case studies on the fire performance of a large space exhibition centre in Shanxi province, China under real fire scenarios including heating and cooling phases. The non-uniform fire temperature fields of the large space exhibition centre for the designed fire scenarios have been generated by using Fire Dynamic Simulator (FDS). A finite element (FE) model has been developed using FE software ANSYS for modelling the structural behaviour of the exhibition centre under different fire scenarios. Based on the results generated in this research some recommendations for the fire resistance design of large space steel truss structures have been proposed.     

杆件失效路径对网架结构抗火性能的影响

在正放四角锥网架结构抗火性能研究基础上,进一步分析两向正交正放网架、正放抽空四角锥网架和斜放四角锥网架在大空间建筑火灾中的热力耦合反应.基于有限元程序ANSYS建立网架结构上弦压杆应力比一致的结构分析模型,按温度增量加载的方法对网架结构热力耦合非线性反应进行了分析.结果表明,在大空间建筑火灾非均匀温度场中网架结构具有不同的杆件失效路径,正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架和斜放四角锥网架在各自的杆件失效路径下临界温度趋于一致;网架结构在火灾中产生适度数量的杆件破坏,可更大程度地释放附加温度应力,表现出结构具有较高的抗火承载力和临界温度;两向正交正放网架的水平支撑桁架体系的抗火承载力对结构的整体抗火承载力有较大影响.按上弦杆具有相同应力比的结构模型,分析得到的失效杆件是影响结构抗火承载力的关键杆件.上述结论可为进一步研究网架结构抗火设计方法提供理论依据.     

柱面弦支网壳预应力钢结构的火灾响应数值分析

柱面弦支网壳是一种新型的预应力空间结构形式,为了保证其应用中的抗火安全,开展其火灾下的结构响应分析意义重大.本文以三环弦支正交正放柱面钢结构网壳为研究对象,首先利用有限元分析软件Marc开展了该空间结构的温度响应分析.在此基础上,进一步对火灾下结构的位移及内力进行了数值模拟.讨论了不同火源位置、结构的矢跨比等因素对该结构火灾响应的影响,并分析了结构的整体破坏形态及极限温度.结果表明,随着火灾温度的升高,该结构的变形逐渐呈现为"上凸形",位于结构下部的预应力拉索较早退出工作,但因结构已有较大的起拱度,整体结构并未发生坍塌.同时,矢跨比对该结构的整体抗火性能有一定影响,其中矢跨比为1/10时的结构抗火性能较好.     

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。     

钢管混凝土组合平面框架结构热—结构耦合分析

采用数值模拟方法,利用有限元软件ANSYS计算分析了无保护层的3层3跨钢管混凝土柱—钢梁平面框架在局部受火条件下的抗火性能,运用顺序耦合方法对结构进行了热—结构耦合分析,得到了结构的耐火极限、临界温度及破坏形态。     

实用大空间建筑火灾空气升温经验公式

建立了大空间建筑火灾空气升温过程中温度非定场的简化模型，提出了大空间建筑火灾的空气升温数学模型，在大量数值实验基础上，回归出数学模型中的待定常数，建立了既满足建筑结构有限元分析中对升温的精度要求，又易于被工程技术人员使用的大空间建筑火灾空气升温经验公式。     

胶合木结构受火响应规律研究

采用剩余截面法计算分析了典型截面胶合木构件的耐火性能,并对平面尺寸7.2 m×7.0 m、高度4.5 m的胶合木结构进行了实体火灾试验.结果表明,胶合木构件耐火性能受荷载比和升温曲线影响较大,在90％荷载比时,截面尺寸200 mm×400 mm的胶合木梁耐火极限约为50 min.ISO 834标准升温曲线与大空间升温曲...     

钢结构抗火设计在“上海水立方”中的应用

随着性能化结构抗火设计的发展,结构的抗火能力和相应的结构防火保护措施可以通过对结构在真实火灾温度场下的实际性能分析来确定。对于大空间结构,根据其内部的可燃物、通风条件和空间大小等特性,采用性能化结构抗火设计往往可以不影响结构抗火安全水平的前提下降低对结构进行防火保护的要求,实现安全、美观且经济的建筑设计。本文将介绍工程设计实践中行之有效的性能化结构抗火设计方法,并以上海东方体育中心的大空间结构抗火设计为例,证明该钢结构抗火方法的切实有效性。