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,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)中會產(chǎn)生很大的變形甚至局部破壞,但整體結(jié)構(gòu)沒有喪失承載能力。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,目前國內(nèi)還未見有對整體鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進行抗火性能的研究報道。本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目“空間火災(zāi)蔓延對鋼框架結(jié)構(gòu)的影響”(批準號:2001CB40960310)和國家自然科學(xué)基金項目“結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)時聲發(fā)射和振動特性的試驗研究”(批準號: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)中對不同位置的鋼梁、鋼柱進行恒載下的抗火性能試驗研究和有限元模擬分析,并對局部火災(zāi)下梁板的聲發(fā)射特性和振動特性進行了分析。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)鋼框架樓中鋼梁試驗研究對鋼框架樓中單跨邊梁、中跨梁、兩跨連續(xù)梁、三跨連續(xù)梁分別進行恒載作用下的抗火性能試驗研究。試驗全過程測量了

3、火場空氣溫度、鋼梁和樓板不同位置截面溫度場分布規(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)。試驗結(jié)果表明:鋼梁上翼緣與火場溫度存在明顯溫差,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,在升溫過程中向下的變形開始減小,恢復(fù)到試驗前初始位置后產(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)全過程中,鋼梁與現(xiàn)澆混凝土樓板沒有脫開,共同受力和變形。在各種工況下鋼梁經(jīng)

4、歷900℃以上溫度,升溫時間120min左右,鋼梁沒有發(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研究對鋼框架樓中單面受火邊柱、三面受火邊柱、中柱、角柱分別進行恒載作用下的抗火性能試驗研究。試驗中測量了火場空氣溫度、鋼柱不同截面溫度場分布、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)。試驗結(jié)果表明:四面受火、梁柱節(jié)點受火的中柱在升溫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有產(chǎn)生明顯破壞;各種工況下,不論鋼柱在火災(zāi)過程中是否發(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研究無法全方位跟蹤測試整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災(zāi)中的行為,有限元模

6、擬分析可以彌補這個不足。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)變增量的關(guān)系,運用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、鋼梁撓曲變形、鋼柱軸向變形以及側(cè)向變形與試驗結(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的梁柱進行模擬分析。
　　(4)鋼框架樓中火災(zāi)時梁板聲發(fā)射特性研究利用聲發(fā)射儀器對火災(zāi)作用下梁板的聲發(fā)射現(xiàn)

7、象進行了監(jiān)測。監(jiān)測了火災(zāi)過程中聲發(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值可以較準確的反映框架樓中鋼梁受火時聲發(fā)射信號的強烈程度,判斷梁、板在火災(zāi)作用下所處的狀態(tài);鋼梁變形在增長過程中會產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號,在變形恢復(fù)過程中信號數(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,對能量釋放起主要