厚型防火涂料保护钢柱三面受火时截面温度分布规律及计算方法

当钢柱三面受火时,沿截面方向会产生温度不均匀分布的现象。而现行规范假设各种受火情况下钢柱沿截面方向的温度分布均匀,并以此为前提提出了钢构件温度的计算公式。研究了受厚型防火涂料保护的钢柱在三面受火条件下截面温度的分布规律,利用有限元软件ABAQUS进行参数分析,参数分析的变量主要为截面形状系数,通过改变截面高度和腹板厚实现对截面形状系数的影响。通过对EC3中采用的受保护钢构件受火升温公式进行修正,建立了截面不同部位升温的计算方法,并给出沿截面不同温度分布曲线的计算公式。     

四面受火木柱耐火极限的试验研究

通过6根四面受火木柱耐火极限的对比试验,研究不同持荷水平、是否采用石灰膏抹面对木柱耐火极限的影响。研究结果表明,四面受火木柱耐火极限随着荷载水平的增加而明显降低。采用石灰膏抹面后,其耐火极限有所增加。石灰膏抹面能有效降低四面受火木柱内的温升梯度,延缓木柱开始炭化的时间,降低炭化速度。     

木柱四面受火后力学性能的试验研究

木柱受火后截面演化为三个区域:外侧为漆黑的炭化层,承载力完全丧失;中间为深灰的高温分解层,承载力明显劣化;内部为颜色不变的正常层,承载力无变化。通过5组24根木柱四面受火后力学性能的对比试验研究,了解不同受火时间后木柱剩余承载力、延性、破坏形态和炭化速度的变化过程。研究结果表明,受火后木柱剩余承载力显著降低,受火木柱的初始刚度均明显低于对比试件,部分截面较小的受火木柱发生偏压破坏。四面受火后木柱承载力下降原因主要包括:受火使木柱表面炭化,木柱有效面积减小;受火后靠近炭化层的高温分解层木材强度明显劣化;随着受火时间增加,木柱截面长细比增加导致其稳定系数降低;部分木柱由于局部裂缝使炭化不均,使受火后木柱的破坏形态由轴压转变为偏压破坏。受火木柱表面有裂缝处及角部的炭化速度加大;随着含水率降低,炭化速度有所增加;随着受火时间增加,炭化速度有所降低。     

三面受火钢柱抗火临界温度的数值模拟分析

应用ANSYS软件计算了钢柱在标准的升温模式下的温度场,分析了在三面受火作用下钢柱截面的温度变化情况,然后利用ANSYS的耦合分析,将温度场导入结构分析中,进一步分析研究了在火灾下的钢柱截面温度分布对钢柱耐火临界温度的影响。     

火灾下两相邻面受火H形钢柱的截面温度分布规律研究

当火灾中钢框架柱不均匀受火时,会在截面和高度方向产生温度梯度。现行规范给出了火灾中钢构件升温的计算公式,但这些公式均是基于温度沿构件高度和截面均匀分布的假设。采用有限元方法研究了火灾中两相邻面受火钢柱的截面温度场,火灾场景采用ISO834标准升温曲线,钢柱采用非膨胀型防火涂料保护。对于所研究的两相邻面受火钢柱,沿截面宽度和高度方向均存在温度梯度。基于参数分析结果,对欧洲规范EN 1993-1-2中钢构件升温计算公式进行了修正,来计算两相邻面受火钢柱截面各部分的升温曲线。     

三面受火钢柱的抗火性能分析

应用ANSYS软件计算了钢柱在标准的升温模式下的温度场,分析了在三面受火作用下钢柱截面的温度变化情况。然后,利用ANSYS的耦合分析,将温度场导入结构分析中,进一步分析研究了在火灾下的钢柱截面温度分布对钢柱附加挠度的影响以及钢柱扭转变形发展规律,推导了由于温度效应引起的钢柱附加挠度的计算公式,为钢结构的抗火设计提供一定的参考价值。     

火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能影响的研究现状

本文介绍了火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能的研究进展和已有研究成果,包括钢柱截面非均匀温度分布产生的原因及截面温度非均匀分布对钢柱抗火性能的影响。钢柱截面不均匀温度产生的原因有:钢柱受到建筑填充墙保护,非4面受火;钢柱仅部分截面采用防火保护;受洞口非均匀火灾影响的建筑外框架柱;钢柱防火保护层不均匀或局部破损等。截面温度不均匀对钢柱抗火性能的影响包括:截面产生附加应力,使钢柱临界温度降低;钢柱截面不对称,发生弯扭破坏;钢柱产生热弯曲,以及破坏时可能出现的反向弯曲等。并对需要进一步研究的问题给出了建议。     

四面受火工程竹材炭化性能试验与数值模拟研究

针对目前工程竹材炭化性能研究中存在的受火时间较短、灭火不及时等不足，通过8根四面受火工程竹柱炭化性能的对比试验，研究了材料类型、截面尺寸、受火方向、加工工艺和受火时间等因素对工程竹材炭化性能的影响。结果表明：工程竹材炭化后截面基本可分为3个区域，即炭化层、高温分解层和常温层；四面受火工程竹材角部区域由于双向受热而由棱角变为弧形；工程竹材炭化速率随受火时间增加略有减小，截面尺寸较大的试件炭化速率略小；相同条件下的重组竹试件炭化速率显著低于胶合竹；横纹径向炭化速率略大于横纹切向，当受火时间较长时差异不明显；一次成型的重组竹炭化性能略优于二次成型的重组竹。提出了工程竹材炭化性能数值分析模型，可快速模拟工程竹材的炭化性能，炭化速率模拟的误差均在10.2%以内，满足工程精度要求。提出的计算模型可较准确地计算工程竹材的炭化深度。根据明火试验和数值模拟结果，建议工程竹结构防火设计时胶合竹和重组竹燃烧1.00 h的名义线性炭化速率可按T/CECS 1101—2022《工程竹结构设计标准》的规定取值，即胶合竹构件的名义线性炭化速率为54 mm/h,重组竹构件的名义线性炭化速率为30 mm/h。     

四面受火胶合木中长柱耐火极限试验研究

通过4组10根胶合木中长柱四面受火的耐火极限试验,研究截面尺寸、持荷水平、阻燃涂料等对胶合木中长柱耐火极限的影响规律。通过理论分析提出了胶合木中长柱基于炭化速度的耐火极限计算方法,并采用有限元软件建立了胶合木柱热力耦合数值分析模型。结果表明,随着持荷水平增加,四面受火胶合木柱耐火极限明显降低,当持荷比由30%增加至50%时,耐火极限平均降低24. 5 min;随着截面尺寸增加,四面受火胶合木柱耐火极限显著提高,当截面尺寸由200 mm×200 mm增加至300 mm×300 mm时,耐火极限平均增加28. 0 min;当胶合木柱表面采用阻燃涂料涂刷后,耐火极限平均增加4. 0 min。胶层、持荷水平和截面尺寸对试件内部距离边缘相同位置处的温度变化无明显影响,表面涂抹阻燃涂料可稍降低试件内部温度的上升速度。垂直胶层方向和平行胶层方向的炭化速度无明显差异,有阻燃涂料处理的木柱炭化速度略小于无阻燃涂料处理的木柱炭化速度。基于剩余截面法计算的四面受火胶合木中长柱耐火极限计算值与试验值的相对误差绝对值的平均值为6. 5%,基本满足工程精度要求。有限元模拟得到的耐火极限与试验值的平均相对误差为8....     

建筑用绝热金属面夹芯板受火时隔热性能研究

通过对夹芯板受火时隔热性能进行有限元分析研究,得到不同厚度岩棉夹芯板和聚苯乙烯泡沫EPS及聚氨酯TPU夹芯板的耐火极限,并与试验值进行对比;最后,针对通常不符合防火下隔热要求的夹芯板提出改进措施,以满足规范要求.     

预测火灾下钢构件温度的简单方法

为评价钢结构构件的抗火性能,需要了解构件横截面的温度。给出了一种预测火灾下有外保护层的钢构件截面温度的简单方法。利用标准火灾条件下的简化假设得到该方法,并推广到设计火灾情况。该方法适用于有保护层和没有保护层的型钢构件。将预测温度与ANSYS有限元分析结果进行比较,验证了该方法的有效性。此外,该方法的预测结果也与"最佳拟合"法的预测温度进行了比较。与试验结果、有限元计算结果和"最佳拟合"法预测结果的比较表明,所提出的简化方法能够较好地预测各种火灾下型钢构件的热梯度和温度历史。该方法简单明了,适合设计时使用。     

Temperature Calculation of Insulated Steel Columns Exposed to Natural Fire

A method suitable for design purposes has been developed which allows the approximate post-flashover compartment fire temperature to be plotted versus time in one curve, the general natural fire curve; time is then modified or scaled to take into consideration ventilation conditions and wall properties. In the analysis the common assumptions of constant and ventilation controlled combustion, uniform temperature, and wall losses proportional to the thermal inertia are made.The general natural fire curve is given an analytical expression, which is then used to calculate temperature in fire exposed insulated columns by a simple integration procedure. The results are plotted in handy diagrams, and temperatures obtained in columns exposed to natural fires and standard fires according to ISO 834 are compared.     

钢桁架屋盖结构抗火设计实用方法

钢桁架结构作为大空间建筑屋盖结构常用的形式之一,其火灾下的承载能力对于保证大空间建筑屋盖结构在规定耐火极限内的安全性至关重要。采用有限元数值分析方法和结构力学理论分析,对桁架屋盖在多参数影响下的抗火性能进行了研究,发现平面外支座约束条件、火源位置及结构荷载比是影响钢桁架结构抗火承载力的关键因素;桁架屋盖体系中的支撑构件在火灾下失效会使桁架平面外支座约束方式产生变化,从而影响上弦杆件平面外抗火承载力;基于整体结构受火性能,提出了钢桁架屋盖抗火设计实用方法,该方法有助于明确临界温度法或承载力法中相关参量的取值,为基于计算评价桁架屋盖结构在大空间建筑火灾下的抗火性能提供科学的依据。     

火荷载下双轴受荷钢柱的拓展兰金方法

到目前为止,对火荷载下双轴受荷钢柱的研究很少。在正常温度下,钢柱的承载力取决于强度和稳定性的综合作用,由兰金方法确定。对兰金方法进行拓展以预测标准火曲线下双轴向荷载下钢柱的抗火能力,建立基于破坏表面的相互作用方程,解释两个方向的轴向荷载和弯矩。对标准火势下的钢柱以所提方法的预测值为基准,采用有限元程序SAFIR进行分析。所提方法也被拓展到自然火曲线的研究中。采用包括臭氧的区域火灾模型,对不同几何尺寸、不同边界的热量性质、不同的火荷载以及通风条件的室内火灾进行模拟。结合臭氧与有限元程序SAFIR,对室内火灾钢柱的破坏时间进行预测。所提方法的结果与数值预测结果进行对比,两者基本吻合。     

Influence of Material Models on Predicting the Fire Behavior of Steel Columns

Finite-element (FE) analysis was used to compare the high-temperature responses of steel columns with two different stress–strain models: the Eurocode 3 model and the model proposed by National Institute of Standards and Technology (NIST). The comparisons were made in three different phases. The first phase compared the critical buckling temperatures predicted using forty-seven column data from five different laboratories. The slenderness ratios varied from 34 to 137, and the applied axial load was 20% to 60% of the room-temperature capacity. The results showed that the NIST model predicted the buckling temperature as or more accurately than the Eurocode 3 model for four of the five data sets. In the second phase, thirty unique FE models were developed to analyze the W8 × 35 and W14 × 53 column specimens with the slenderness ratio about 70. The column specimens were tested under steady-heating conditions with a target temperature in the range of 300°C to 600°C. The models were developed by combining the material model, temperature distributions in the specimens, and numerical scheme for non-linear analyses. Overall, the models with the NIST material properties and the measured temperature variations showed the results comparable to the test data. The deviations in the results from two different numerical approaches (modified Newton–Raphson vs. arc-length) were negligible. The Eurocode 3 model made conservative predictions on the behavior of the column specimens since its retained elastic moduli are smaller than those of the NIST model at elevated temperatures. In the third phase, the column curves calibrated using the NIST model was compared with those prescribed in the ANSI/AISC-360 Appendix 4. The calibrated curve significantly deviated from the current design equation with increasing temperature, especially for the slenderness ratio from 50 to 100.     

Engineering Approach for Designing a Thermal Test of Real-Scale Steel Beam Exposed to Localized Fire

This paper reports the design and results of a thermal test on heating of a 6 m long steel W beam subjected to a localized fire conducted at the National Fire Research Laboratory of the National Institute of Standards and Technology. A engineering approach was proposed to determine the heat release rate of the test fire. By the approach, a recently developed simple fire model was first used to approximately calculate the heat release rate and then a sophisticated model was used to check/refine the calculation. The concept of adiabatic surface temperature was used in the sophisticated model to represent the thermal boundary conditions at exposed surfaces in fire. The proposed approach successfully predicted the critical value of heat release rate of 500 kW to reach a target temperature of \(500^{\circ }\hbox {C}\) in the test specimen. A calibration test was also conducted to understand the difference between the predicted and measured steel temperatures in the investigated test, and found that the sophisticated model over-predict the adiabatic surface temperatures which would contribute to the over-prediction of the steel temperatures. The error of the predicted maximum steel temperature in the test specimen was within 10%. The study reported here is not necessarily a validation of the sophisticated model, rather the study provides a successful case study using current knowledge and tools to design realistic and controlled fire tests.     

高温下再生骨料钢管混凝土短柱的试验性能

介绍高温下再生骨料钢管混凝土(RACFST)短柱性能的试验研究结果。试验采用了40个试样(其中32个RACFST短柱,8个普通钢管混凝土(CFST)短柱),给出并分析了试样的失效模式、荷载-应变关系和极限强度。采用了5种类型的混凝土:1种天然骨料的标准混凝土;2种再生粗骨料,含量分别为50%和100%;2种再生细骨料,含量分别为50%和100%。试样分别置于300℃,600℃和800℃条件下长达3h。试验结果表明,由于再生骨料的存在,高温下RACFST短柱试样的抗火性低于CFST短柱试样;再生骨料含量相同的条件下,再生粗骨料(RCA)试样的性能优于再生细骨料(RFA)试样。     

椭圆形钢管混凝土柱的抗火性能

采用非线性三维有限元模型,分析了轴向压力下椭圆形空心钢管混凝土(CFEHS)柱的抗火性能。本研究基于作者关于空心钢管混凝土(CF-CHS)柱在室温下性能和抗火性能的研究成果,用文献中CFEHS短柱在室温下的数据验证数值模型,然后将数值模型应用于CFEHS细长柱在高温下性能的研究。研究目的是为理解并阐述轴向压力下CFEHS柱在火灾中的性能,并将其有效性与圆形钢管混凝土(CFT)柱进行了对比。研究了柱长细比、荷载大小、横截面长细比和截面面积大小等不同参数对柱性能的影响。最后给出了CFEHS柱的设计建议:采用EN1994-1-2第4.3.5.1条导则设计,但是应采用基于法国规范附录椭圆截面有效直径的抗弯刚度折减系数。椭圆截面有效系数等于P/π(P为椭圆周长)。