冷成型鋼承重組合墻體抗火試驗及理論研究.pdf

1、多層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)具有綠色、節(jié)能、環(huán)保、用鋼量省、施工速度快、易于產(chǎn)業(yè)化等特點，在我國具有良好應(yīng)用與發(fā)展前景，而其抗火相關(guān)理論及設(shè)計方法是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。本文通過對傳統(tǒng)低層冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系改進(jìn)提出多層冷成型鋼龍骨剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并對該結(jié)構(gòu)體系的若干關(guān)鍵抗火問題——冷成型鋼高溫力學(xué)性能、火災(zāi)作用下冷成型鋼承重組合墻體力學(xué)行為及預(yù)測方法、冷成型鋼結(jié)構(gòu)實用抗火設(shè)計等方面展開系統(tǒng)試驗與分析，主要內(nèi)容如下:
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2、.國內(nèi)常用冷成型鋼高溫力學(xué)性能試驗研究
　　設(shè)計完成了約200次國內(nèi)常用Q345及G550冷成型鋼高溫力學(xué)性能試驗:a.考查了冷成型鋼平板與轉(zhuǎn)角部位高溫力學(xué)性能差異性，結(jié)果表明:Q345冷成型鋼轉(zhuǎn)角部位高溫材性整體不低于平板部位，因此，將現(xiàn)行冷成型鋼常溫局部屈曲設(shè)計公式引入Q345冷成型鋼平板高溫材性后可用于Q345冷成型鋼構(gòu)件高溫局部屈曲分析。然而，G550冷成型鋼轉(zhuǎn)角部位高溫材性整體略低于平板部位，由此可能導(dǎo)致高溫情況下G55

3、0冷成型鋼構(gòu)件提早發(fā)生局部或畸變屈曲。b.考察了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)試驗方法對于冷成型鋼高溫力學(xué)性能試驗結(jié)果的差異，結(jié)果表明:瞬態(tài)試驗方法與穩(wěn)態(tài)試驗方法對Q345及G550冷成型鋼高溫力學(xué)性能并不等效，且以穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果代替瞬態(tài)試驗結(jié)果用于Q345及G550冷成型鋼結(jié)構(gòu)抗火計算分析，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果偏小，預(yù)測耐火時間偏于不安全。c.將Q345及G550冷成型鋼高溫彈性模量、屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度折減系數(shù)與現(xiàn)行歐洲規(guī)范、澳大利亞規(guī)范、英國規(guī)范及其

4、他學(xué)者的試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，采用統(tǒng)一的多項式表達(dá)式對高溫材性折減系數(shù)試驗結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值擬合。基于Ramberg-Osgood模型，提出了Q345及G550冷成型鋼高溫本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。上述表達(dá)式均與試驗結(jié)果吻合良好，滿足冷成型鋼數(shù)值模擬精度要求。
　　2.冷成型鋼承重組合墻體足尺耐火試驗研究
　　設(shè)計完成了11片C型冷成型鋼承重墻體足尺耐火試驗，旨在考察該類組合墻體滿足我國規(guī)范多層結(jié)構(gòu)承重墻耐火極限要求的可行性，同時為后續(xù)組合

5、墻體耐火性能理論及數(shù)值模擬研究提供驗證。試驗同時考察了墻板類型、填充層情況及荷載水平等因素對墻體耐火性能的影響，結(jié)果表明:a.硅酸鈣板存在高溫爆裂現(xiàn)象，定向刨花板（OSB板）在墻體耐火試驗中發(fā)生燃燒，玻鎂板及蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土板(ALC板)則表現(xiàn)出優(yōu)異的耐火性能;b.對于無空腔填充層的石膏板玻鎂板冷成型鋼組合墻體，不同的荷載水平可能導(dǎo)致墻體產(chǎn)生不同破壞模式，進(jìn)而影響墻體耐火時間;c.將硅酸鋁棉布置在受火側(cè)兩層墻板之間（即外填充）可明顯延

6、緩墻體龍骨立柱表面升溫，進(jìn)而大幅度延長冷成型鋼承重組合墻體耐火時間。本文帶硅酸鋁棉外填充的冷成型鋼組合墻體在0.65荷載比率下最長耐火時間達(dá)到165分鐘，滿足我國現(xiàn)行建筑設(shè)計防火規(guī)范的多層民用建筑承重墻三級120分鐘耐火極限要求。
　　3.冷成型鋼承重組合墻體耐火性能理論及數(shù)值模擬研究
　　將石膏板、玻鎂板等建筑材料的復(fù)雜受熱行為通過對其高溫比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等熱物理特性參數(shù)進(jìn)行修正以近似描述。提出了石膏板、玻鎂板及硅酸

7、鋁棉的高溫?zé)嵛锢硖匦孕拚剑⒔Y(jié)合前期冷成型鋼組合墻體耐火試驗驗證了修正公式的合理性。提出冷成型鋼組合墻體單側(cè)受火的隱式差分傳熱模型，可考慮墻體各層墻板隨溫度變化的不同熱物理特性及墻板脫落影響，與組合墻體耐火試驗結(jié)果吻合較好，且具有形式簡單、穩(wěn)定性好、收斂性速度快、計算效率高等特點，便于工程應(yīng)用。提出冷成型鋼組合墻體熱-力耦合簡化理論模型，可用于組合墻體火災(zāi)作用下的時間-側(cè)向變形曲線、龍骨立柱破壞模態(tài)及耐火時間模擬;與組合墻體耐火試驗

8、結(jié)果符合較好，且耐火時間預(yù)測值整體偏于安全，相對誤差在15％以內(nèi)。提出單側(cè)受火冷成型鋼組合墻體熱-力耦合有限元模型，適用于墻體常溫軸壓性能模擬，以及墻柱單側(cè)受火破壞模態(tài)及耐火時間模擬，且耐火時間模擬結(jié)果整體偏于安全，相對誤差亦在15％以內(nèi)。
　　4.冷成型鋼結(jié)構(gòu)實用抗火設(shè)計研究
　　提出多層冷成型鋼龍骨剪力墻結(jié)構(gòu)體系，給出該結(jié)構(gòu)體系具體實施方式。借鑒已有冷成型鋼組合樓蓋耐火試驗結(jié)果，給出滿足我國規(guī)范多層建筑60分鐘耐火極限要

9、求的冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋形式及抗火措施。提出帶夾心墻板單元的冷成型鋼組合墻體，并根據(jù)前期組合墻體耐火試驗結(jié)果、所提出的組合墻體隱式差分傳熱模型及熱-力耦合模型，進(jìn)行單側(cè)受火冷成型鋼組合墻體模擬與分析，提出滿足90、120及150分鐘耐火極限要求的冷成型鋼承重組合墻體具體形式、構(gòu)造措施及荷載水平，由此實現(xiàn)多層冷成型鋼龍骨剪力墻結(jié)構(gòu)體系實用抗火設(shè)計。
　　本文創(chuàng)新點如下:
　　(1)首次嘗試分析并發(fā)現(xiàn)了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)試

10、驗方法對冷成型鋼高溫力學(xué)性能并不等效，發(fā)現(xiàn)并分析了Q345及G550冷成型鋼平板與轉(zhuǎn)角部位高溫材性差異性，在此基礎(chǔ)上，提出冷成型鋼高溫材性折減系數(shù)及本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。
　　(2)完成了11片冷成型鋼承重組合墻體足尺耐火試驗，證明了所提出的新型冷成型鋼組合墻體能夠滿足我國現(xiàn)行建筑設(shè)計防火規(guī)范對多層建筑承重墻耐火要求，并為理論分析和數(shù)值模擬研究提供了實驗依據(jù)。
　　(3)提出單側(cè)受火冷成型鋼組合墻體隱式差分傳熱模型及熱-力耦合簡化