Design of steel portal frame buildings for fire safety

This paper describes a study into the fire behaviour of steel portal frame buildings at elevated temperatures using the finite element programme SAFIR. The finite element analysis carried out in this report is three dimensional and covers different support conditions at the column bases, the presence of axial restraints provided by the end walls, different fire severities within the building, different levels of out-of-plane restraint to the columns and the effect of concrete encasement to the columns. From a large number of analyses, it is shown that the bases of the steel portal frames at the foundations must be designed and constructed with some level of fixity to ensure that the structure will deform in an acceptable way during fire, with no outwards collapse of the walls. The analyses also show that to avoid sidesway (i.e. collapse outwards) it is not necessary for steel portal frame columns to be fire-protected unless the designer wishes to ensure that the columns and the wall panels remain standing, during and after the fire.     

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。     

蔓延火灾下钢框架结构抗火性能试验研究

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。     

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。     

面向对象的钢框架结构火灾行为分析程序设计

面向对象程序设计方法克服了面向过程结构化程序设计的不足,为功能模块化的集成化、可再用及程序扩充的灵活性提供了有利条件.基于VisualC 软件平台,运用面向对象技术采用有限元法进行结构分析,进行面向对象程序设计, 达到了钢框架结构火灾行为分析程序的实现.在程序设计过程中,建立了有限元非线性分析模型,并描述了温度影响在程序设计中的实现.     

局部火灾引起的整体钢结构初始破坏机理与倒塌机制

为研究局部火灾引起整体钢结构的初始破坏机理与倒塌机制,对2个平面4跨3层钢框架结构的中柱进行抗火性能试验,通过试验得到受火梁、柱的温度场分布和位移反应的变化规律,通过测力支座得到受火中柱的轴力变化过程。结合有限元分析,研究中柱破坏引起结构倒塌的破坏机理,确定了中柱屈曲温度、中柱破坏温度和结构的破坏温度。研究结果表明:整体结构中受火中柱在高温下发生弱轴方向弯曲破坏,同时也在受保护节点下部钢柱发生局部屈曲破坏;整体结构的初始倒塌机制表现为中柱平面外失稳弯曲的初始破坏引起上部所有约束梁的破坏,局部构件的破坏并不说明整体结构的破坏;竖向荷载水平越大,中柱屈曲温度、破坏温度越低。     

基于火灾的钢筋混凝土构件的非线性分析

介绍了大型有限元软件ADINA在钢筋混凝土结构非线性分析中应用的理论基础,着重分析了混凝土框架结构在受到火灾作用下结构内力变化原理,并得出了有关结论,以促进高温下钢筋混凝土构件的研究,该文章可供相关技术人员参考。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

方形薄壁钢管混凝土柱的耐火性能研究

为研究薄壁钢管混凝土柱的耐火性能,进行4个方形薄壁钢管混凝土柱在标准升温曲线下的耐火试验。试验参数为荷载偏心率、是否设置加劲肋以及是否设置防火保护。基于试验结果,研究方形薄壁钢管混凝土柱在高温下的破坏模态、温度场分布和耐火极限,并将其耐火性能和普通钢管混凝土柱进行比较。试验结果表明,方形薄壁钢管混凝土柱具有较好的耐火性能。     

火灾下钢构件的弹塑性分析和实用计算

基于Shanley理论分析了火灾条件下轴心受压钢构件的弹塑性极限稳定性，根据其力学模型，建立了非均匀截面温度场时构件极限载荷的实用计算公式。计算结果表明，该简化公式不仅有较为明确的力学意义，且计算简捷，计算结果精度高。     

真实火灾下足尺冷成型钢复合剪力墙结构耐火性能试验研究

冷成型钢复合剪力墙结构采用冷成型钢管混凝土边柱、半刚性连接节点、组合楼盖体系和外填充式夹心组合墙体等构件,具有整体连接性强、抗震性能优越等优势.其耐火性能研究是该结构在我国推广应用的研究重点之一.为此,建造了3栋平面尺寸为7.2m×7.2m、层高3m的单层冷成型钢复合剪力墙结构模型房屋,并对其进行了不同火灾工况下的足尺...     

平面钢框架结构火场下的有限元分析

利用有限元软件ANSYS对高温下平面钢框架结构的反应进行了分析，给出了钢梁在高温下破坏时的应力云图以及节点位移随时间的变化曲线，得出了计算的位移值与试验位移值吻合较好的结论。     

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...     

弹性钢构件火灾下的二阶分析

基于小挠度理论和大挠度理论的基本微分方程，利用虚拟栽荷法分别建立了弹性钢构件（梁、柱）在火灾条件下的二阶分析格式。计算时该格式使用同一刚度矩阵，只需要不断更新荷栽矢量，即在荷栽矢量的迭代中反映几何非线性效应。计算结果与试验对比分析表明，该方法计算简捷、精度高。     

型钢混凝土框架结构耐火性能有限元分析

为了研究型钢混凝土框架整体结构的耐火性能,为其抗火设计提供参考,采用受火楼层建立精细化有限元计算模型、非受火楼层建立梁单元计算模型的方法,建立了型钢混凝土框架整体结构的耐火性能计算模型。考虑火灾位置、荷载分布形式、柱轴压比等参数的影响,对火灾下型钢混凝土框架整体结构的变形规律、承载机制、破坏形态以及耐火极限进行参数分析。分析结果表明：火灾下框架结构出现了整体破坏和局部破坏两种典型的破坏形态,受火构件受到的约束作用对其耐火性能有较大的影响;在局部破坏形态中,由于受热膨胀,火灾下框架梁首先出现了较大的轴压力,受火框架梁处于压弯受力状态;之后,框架梁出现了悬链线效应,轴力对框架梁的受力状态有较大影响;在整体破坏形态中,根据轴压比及荷载分布形式的不同,框架出现了中柱破坏和边柱破坏两种典型破坏形态,同时,随楼层受火位置的升高,柱的轴压比减小,框架结构的耐火极限增加。     

钢框架结构抗火反应分析与研究

采用非线性有限元理论,对钢框架结构抗火反应全过程进行分析,通过获得框架结构在火灾中的工作性能,为结构的稳定性分析和模拟试验研究提供一些参考,为科学的综合防火设计提供评价方法。     

自然火灾中钢结构构件温度场模拟

在既有一榀框架受火实验的基础上,建立了该实验框架的精确有限元模型。通过与试验结果对比,获得了较好的温度场模拟结果。从结构抗火设计实际需要的角度出发,探究不同火灾发展因素对构件升温的影响,使用ABAQUS模拟多种参数化火灾模型下构件温度场分布。研究表明:有限元软件ABAQUS能够获得较精确的温度场分布;考虑多种随机性参数更有利于钢结构抗火工程。     

钢结构火灾反应分析方法的比较

CECS200-2006《建筑钢结构防火技术规范》采取等效作用力方法计算火灾下的结构内力,并给出了受火构件温度内力的计算公式。本文就规范中结构抗火计算方法和有限元数值计算方法,按不同结构抗火计算方法对算例进行对比计算研究。计算结果表明,规范中所给内力公式计算的结果较保守。     

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。     

强震作用下构件损伤对钢框架结构受力性能的影响

为研究强震作用下结构发生局部屈曲造成损伤对钢框架结构抗震性能的影响,采用通用有限元软件ABAQUS,分别建立杆系模型以及三维精细钢框架模型,比较了是否考虑累积损伤抗震指标的差异。应用国内外典型试验结果,验证了三维精细模型对模拟局部屈曲累积损伤现象的准确性及适用性。在此基础上,建立杆系和三维精细壳单元有限元模型,分别进行拟静力加载以及罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,对比了结构变形、滞回耗能、破坏形态等方面的特征。研究结果表明：加载初期,杆系模型和三维精细壳单元模型计算结果基本一致;随着结构损伤累积,两者出现明显的差别,杆系模型会低估结构的变形大小以及塑性发展程度。