整體鋼框架中梁柱抗火性能的研究.pdf

1、鋼結(jié)構(gòu)不耐火成為人們的共識(shí),大量鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)案例表明整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災(zāi)中會(huì)產(chǎn)生很大的變形甚至局部破壞,但整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有喪失承載能力。這種現(xiàn)象與目前鋼構(gòu)件抗火性能的研究結(jié)果不相符,目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進(jìn)行抗火性能的研究報(bào)道。本文在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“空間火災(zāi)蔓延對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的影響”(批準(zhǔn)號(hào):2001CB40960310)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)時(shí)聲發(fā)射和振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究”(批準(zhǔn)號(hào):50878069)的

2、資助下,搭建了3×3跨3層足尺整體鋼框架樓,框架樓一層層高3500mm,二、三層層高3000mm,柱距4500mm,現(xiàn)澆混凝土樓板厚120mm。在整體結(jié)構(gòu)中對(duì)不同位置的鋼梁、鋼柱進(jìn)行恒載下的抗火性能試驗(yàn)研究和有限元模擬分析,并對(duì)局部火災(zāi)下梁板的聲發(fā)射特性和振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)鋼框架樓中鋼梁試驗(yàn)研究對(duì)鋼框架樓中單跨邊梁、中跨梁、兩跨連續(xù)梁、三跨連續(xù)梁分別進(jìn)行恒載作用下的抗火性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)全過(guò)程測(cè)量了

3、火場(chǎng)空氣溫度、鋼梁和樓板不同位置截面溫度場(chǎng)分布規(guī)律、鋼梁和樓板的撓曲變形等內(nèi)容,考察了鋼梁和樓板的破壞形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼梁上翼緣與火場(chǎng)溫度存在明顯溫差,同一截面鋼梁溫度與樓板混凝土溫度存在較大溫差;試驗(yàn)開始樓板表面首先產(chǎn)生許多裂縫;鋼梁先產(chǎn)生向下豎向變形,在升溫過(guò)程中向下的變形開始減小,恢復(fù)到試驗(yàn)前初始位置后產(chǎn)生向上變形;鋼梁上下翼緣焊縫在降溫階段開裂;在火災(zāi)全過(guò)程中,鋼梁與現(xiàn)澆混凝土樓板沒(méi)有脫開,共同受力和變形。在各種工況下鋼梁經(jīng)

4、歷900℃以上溫度,升溫時(shí)間120min左右,鋼梁沒(méi)有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而喪失承載能力,呈現(xiàn)出良好的抗火性能。
　　(2)鋼框架樓中鋼柱試驗(yàn)研究對(duì)鋼框架樓中單面受火邊柱、三面受火邊柱、中柱、角柱分別進(jìn)行恒載作用下的抗火性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中測(cè)量了火場(chǎng)空氣溫度、鋼柱不同截面溫度場(chǎng)分布、鋼柱不同截面?zhèn)认蜃冃?、鋼柱軸向變形,鋼柱頂樓板混凝土溫度等,考察了相臨鋼梁的變形情況、鋼柱的破壞形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明:四面受火、梁柱節(jié)點(diǎn)受火的中柱在升溫76mi

5、n內(nèi)未產(chǎn)生明顯軸向膨脹變形,之后軸向變形產(chǎn)生突變。其它各工況試驗(yàn)軸向變形首先產(chǎn)生膨脹,在升溫階段膨脹變形減小,最后產(chǎn)生壓縮變形,角柱在降溫階段膨脹變形開始減小;鋼柱側(cè)向變形在火災(zāi)中產(chǎn)生反向;四面受火鋼柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞;單面受火邊柱和角柱鋼柱沒(méi)有產(chǎn)生明顯破壞;各種工況下,不論鋼柱在火災(zāi)過(guò)程中是否發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌現(xiàn)象。
　　(3)鋼框架樓中梁、柱非線性有限元模擬分析試驗(yàn)研究無(wú)法全方位跟蹤測(cè)試整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災(zāi)中的行為,有限元模

6、擬分析可以彌補(bǔ)這個(gè)不足。本文考慮材料非線性和幾何非線性,采用增量方法建立了應(yīng)力增量和應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系,運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立了考慮樓板作用和整體效應(yīng)的鋼梁、鋼柱抗火性能分析的模型,結(jié)果表明:有限元分析的構(gòu)件截面溫度場(chǎng)、鋼梁撓曲變形、鋼柱軸向變形以及側(cè)向變形與試驗(yàn)結(jié)果吻合,表明建立的有限元分析模型是合理可行的,能夠?qū)ζ渌r的梁柱進(jìn)行模擬分析。
　　(4)鋼框架樓中火災(zāi)時(shí)梁板聲發(fā)射特性研究利用聲發(fā)射儀器對(duì)火災(zāi)作用下梁板的聲發(fā)射現(xiàn)

7、象進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)了火災(zāi)過(guò)程中聲發(fā)射事件率、能量率和b值的變化情況,分析了各參數(shù)變化與樓板裂縫、鋼梁變形等現(xiàn)象的關(guān)系。結(jié)果表明:事件率、能量率的變化與宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān),b值可以較準(zhǔn)確的反映框架樓中鋼梁受火時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)烈程度,判斷梁、板在火災(zāi)作用下所處的狀態(tài);鋼梁變形在增長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào),在變形恢復(fù)過(guò)程中信號(hào)數(shù)有所減弱;聲發(fā)射事件中小于80db的事件占全部事件的90％以上,能量只在50%左右,對(duì)能量釋放起主要