建筑结构抗火性能研究

论文摘要

在火灾作用下,火灾高温使得结构材料的性能发生严重劣化,结构构件将发生剧烈的内力重分布,结构变形显著加剧,从而造成结构的承载性能大大削弱,危及结构的安全,甚至导致结构发生局部或整体倒塌和破坏。因此如何合理进行结构的抗火设计,特别是通过系统的理论分析和研究,建立一整套科学、可靠、实用的结构抗火设计方法,正日益受到学术界和工程界的关注。本文在前人的工作基础上,对火灾高温作用下的钢筋混凝土结构、钢结构和构件的受力状态以及火灾冲击荷载作用下简支钢梁的动力响应做了进一步的研究,主要研究工作如下：1.基于非线性弹性理论和弹塑性理论,对火灾条件下的钢筋混凝土结构本构关系和结构受力分析过程进行了探讨,并对在结构荷载和火灾高温共同作用下的钢筋混凝土框架的变形及内力重分布进行了模拟分析；2.通过对大量实验数据和高温下结构材料力学性能的变化分析,给出了火灾高温作用下结构构件极限承载力的计算表达式；3.基于对火灾高温下不同结构形式的结构构件极限承载力的变化分析,采用结构等效楼面活荷载来描述火灾高温对结构及其构件的作用效应,给出了等效楼面活荷载的计算公式并分析了其变化规律,从而简化了火灾高温作用下结构承载能力的分析方法,满足了工程上简化计算的需要；4.开展了火灾高温下钢框架结构非线性分析,推导出结构单元内力增量与位移增量及单元温度变化之间的关系,构建了结构整体刚度矩阵与结构不平衡力之间的关系。以整体结构为目标,对在结构荷载和火灾高温共同作用下的钢结构框架的变形及内力状态进行了模拟分析,使之能够更为合理地分析和描述火灾高温作用下钢结构框架的受力状态；5.根据火灾不同时刻钢梁内部温度的变化,考虑火灾高温对材料弹性模量和屈服强度的影响,分析了火灾冲击荷载作用下的简支钢梁的动力响应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的工程背景、目的和意义
• 1.2 国内外建筑结构抗火研究的历史发展
• 1.2.1 混凝土结构抗火研究的历史发展
• 1.2.2 钢结构的抗火研究的历史发展
• 1.3 近年来建筑结构抗火研究的主要进展
• 1.3.1 混凝土结构抗火研究的主要进展
• 1.3.2 钢结构抗火研究的主要进展
• 1.4 目前结构抗火研究中有待解决的问题
• 1.4.1 火灾高温下材料多轴力学性能的研究
• 1.4.2 结构整体抗火性能的研究还有待深入
• 1.4.3 结构抗火设计方法还需要不断完善
• 1.4.4 有待开展特殊环境下结构及构件的抗火性能研究
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 火灾高温作用下钢筋混凝土构件截面温度场分析
• 2.1 概述
• 2.2 火灾标准升温曲线
• 2.3 火灾高温作用下材料的热物理特性
• 2.3.1 混凝土的热工性能参数
• 2.3.2 钢材的热工性能参数
• 2.4 非线性瞬态温度场分析
• 2.4.1 热传导方程
• 2.4.2 热传导方程定解条件
• 2.4.3 采用MATLAB分析混凝土梁截面非线性瞬态温度场
• 2.5 本章小结
• 第3章 火灾高温下钢筋混凝土简支梁极限承载力与结构等效楼面活荷载分析
• 3.1 概述
• 3.2 钢筋混凝土材料的高温力学性能
• 3.2.1 混凝土的高温力学性能
• 3.2.2 钢筋的高温力学性能
• 3.3 火灾高温作用下钢筋混凝土简支梁的极限承载力
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 火灾高温下钢筋混凝土简支梁抗弯、抗剪承载力分析
• 3.4 火灾高温下钢筋混凝土简支梁楼面等效活荷载计算
• 3.4.1 基于极限承载弯矩降低值计算楼面等效活荷载
• 3.4.2 基于极限承载剪力降低值计算楼面等效活荷载
• 3.4.3 火灾高温下钢筋混凝土简支梁楼面等效活荷载的取值
• 3.5 不同混凝土强度等级算例
• 3.5.1 梁截面火灾温度场计算结果
• 3.5.2 不同混凝土强度等级简支梁极限承载弯矩、剪力及等效楼面活荷载标准值计算结果
• 3.5.3 计算结果分析
• 3.6 不同梁截面配筋率算例
• 3.6.1 不同截面配筋率简支梁极限承载弯矩、剪力及等效楼面活荷载标准值计算结果
• 3.6.2 计算结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 局部火灾高温作用下钢框架极限承载力及等效楼面活荷载分析
• 4.1 概述
• 4.2 局部火灾高温作用下框架梁的抗火性能
• 4.2.1 局部火灾作用下框架梁的极限抗弯承载力
• 4.2.2 局部火灾作用下框架梁的极限抗剪承载力
• 4.3 局部火灾高温作用下框架柱的抗火性能
• 4.3.1 火灾高温作用下框架柱强度计算
• 4.3.2 火灾作用下框架柱平面内稳定计算
• 4.3.3 火灾高温作用下框架柱平面外稳定计算
• 4.4 火灾高温下钢框架结构等效楼面活荷载分析
• 4.4.1 基于框架梁的极限承载弯矩降低值计算等效楼面活荷载标准值增幅
• 4.4.2 基于框架梁的极限抗剪强度降低值计算等效楼面活荷载标准值增幅
• 4.4.3 基于框架柱极限承载强度降低值计算等效楼面活荷载增幅
• 4.4.4 基于框架柱平面内稳定性变化计算等效楼面活荷载增幅
• 4.4.5 基于框架柱平面外稳定性变化计算等效楼面活荷载增幅
• 4.4.6 结构等效楼面活荷载标准值增幅的取值
• 4.4.7 结构等效楼面活荷载取值
• 4.5 算例
• 4.5.1 局部火灾高温作用下框架极限承载力及等效楼面活荷载计算结果
• 4.5.2 计算结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 火灾下钢筋混凝土框架结构非线性分析
• 5.1 概述
• 5.2 火灾高温作用下钢筋混凝土材料线弹性本构关系
• 5.3 火灾高温作用下钢筋混凝土材料非线弹性本构关系
• 5.4 火灾高温作用下钢筋混凝土材料弹塑性本构关系矩阵
• 5.5 火灾高温作用下钢筋混凝土结构有限元分析
• 5.5.1 弹性阶段结构有限元分析
• 5.5.2 弹塑性阶段增量有限元分析
• 5.6 算例
• 5.6.1 火灾高温作用下钢筋混凝土结构框架内力计算结果
• 5.6.2 计算结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 火灾高温下钢框架结构非线性分析
• 6.1 概述
• 6.2 基本假设
• 6.3 钢框架结构的非线性分析
• 6.4 屈服函数
• 6.5 火灾高温作用下钢结构空间框架算例分析
• 6.5.1 火灾高温作用下三维钢框架结构计算
• 6.5.2 计算结果分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 火灾冲击荷载作用下简支钢梁的动力响应
• 7.1 概述
• 7.2 火灾冲击荷载作用下简支钢梁的动力响应
• 7.2.1 冲击荷载
• 7.2.2 简支钢梁的动力响应分析
• 7.3 算例
• 7.3.1 火灾高温对结构钢弹性模量的影响
• 7.3.2 火灾高温对结构钢屈服强度的影响
• 7.3.3 火灾高温下简支钢梁的温度计算
• 7.3.4 火灾高温下简支钢梁材料性能的变化
• 7.3.5 简支钢梁的动力挠度计算结果
• 7.3.6 计算结果分析
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢