钢框架柱火灾下的稳定分析

论文摘要

在对世贸大厦(WTC)倒塌原因的诸多分析中撞击后产生的大火被认为是结构倒塌的起因。高温会显著降低钢材的强度和刚度，但这并不是结构整体倒塌的直接原因。美联邦应急管理局(FEMA)给出的报告表明因大火引起的升温不足以使结构因强度和刚度的降低而发生整体倒塌。Cardington实验和其他研究表明实际结构内发生火灾时，低温的结构构件会对高温构件产生支援作用。另外，FEMA的报告还指出世贸大厦外围柱设计时仅利用了其20％的重力承载能力，相应的核心柱的为60％。这就使得结构是因火灾下柱的承载力降低而倒塌的说法更加不可信。也有报道称，结构的倒塌是因为组合楼板和支撑桁架在高温下的大变形使其与柱连接的节点受拉破坏而引起楼层破坏，进而使结构因其连锁反应而倒塌。但Cardington实验显示节点除了在冷却阶段受拉外，在加热阶段是始终因为所加约束的热膨胀而保持受压的。所以上述说法也站不住脚。真正比较合理的解释是由Usmani等给出的。他们用一个弹簧来考虑单个楼层对外围柱的侧向约束作用，这样整根柱便可看成由弹簧提供侧向支撑的受压构件。这种构件的稳定性受弹簧刚度的影响很大。当单个弹簧刚度取0和∞两种极端情况时，构件层面上前者对应的柱的计算长度较后者增加一倍。而火灾下楼层刚度会降低，也可能因热膨胀而向外推柱，这对柱的稳定都是不利的。Usmani等人通过有限元模拟认为火灾下外柱因侧向支撑楼层支撑作用降低而发生的失稳是世贸大厦倒塌的真正原因。Usmani等人只是定性的给出了上述结论。本文通过对简单结构的分析定量的研究了横梁支撑框架柱在火灾下的稳定问题。通过理论推导和有限元分析得出如下结论：火灾升温，特别是多楼层火灾升温，引起的横梁刚度降低确实可能显著降低框架柱的稳定性能。且对于横梁支撑框架柱，无论有无初始几何缺陷，火灾下柱的极限荷载与横梁刚度间的关系均可由同一公式表示。分析中仅考虑了线弹性情况。考虑到国内在结构抗火领域所做的研究不多，文章还对结构火灾工程的各个领域做了详细而全面的介绍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 结构抗火设计
• 1.1 介绍
• 1.2 标准火灾试验
• 1.3 标准火灾试验的欠缺
• 1.4 等效火灾强度
• 1.5 规定性设计法
• 1.5.1 查表法
• 1.5.2 英国规范
• 1.5.3 欧洲规范
• 1.6 基于工作性能设计法
• 1.6.1 火灾模型
• 1.6.2 传热
• 1.6.3 高温下普通结构钢的材料性能
• 1.6.4 结构分析
• 1.7 防火材料及防火措施
• 1.7.1 防火材料
• 1.7.2 其他防火措施
• 2. 钢框架火灾下性能
• 2.1 热作用下结构基本力学原理
• 2.1.1 热膨胀
• 2.1.2 热弯曲
• 2.1.3 高温下挠度计算
• 2.1.4 热膨胀和热弯曲共同作用
• 2.2 钢框架火灾下性能
• 2.2.1 火灾下轴向约束对框架柱性能影响
• 2.2.2 火灾下相邻梁热膨胀对柱性能影响
• 2.3 实际钢框架火灾下的性能——Cardington试验介绍
• 2.3.1 Broadgate大火
• 2.3.2 Cardington试验
• 3. WTC倒塌原因分析及简单力学模型
• 3.1 WTC倒塌原因分析
• 3.2 WTC倒塌分析模型
• 3.3 简单力学模型
• 4. 简单框架分析
• 4.1 框架力学分析
• 4.2 单层框架有限元分析
• 4.2.1 介绍
• 4.2.2 框架分析结果
• 4.2.3 框架分析结论验证
• 4.3 多层框架有限元分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢