大空间钢结构火灾下受力性能与抗火计算方法研究

论文摘要

大空间钢结构以其宏伟的建筑造型、巨大开敞的内部空间等优点在我国得到了广泛的应用。由于钢材本身耐火性能较差,且造型美观等要求使得防火保护费用惊人,大空间钢结构往往不能直接按照普通钢结构的方法进行结构抗火设计。目前我国关于大空间钢结构抗火设计的研究还相当薄弱,现行规范的相关规定也少有涉及,因此,深入开展大空间钢结构火灾下的受力性能和抗火计算方法研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。本文结合理论分析、数值计算等多种手段,对大空间钢结构火灾下不均匀温度场分布以及典型结构类型的受力性能进行了较系统的研究,充分考虑结构的几何、材料非线性等参数影响,提出了相应的抗火计算方法。本文主要完成以下几方面工作:(1)通过与试验数据对比,确定了大空间结构数值模拟中火源模型等简化方法。系统研究了影响大空间结构内不均匀温度场分布的主要因素,并对几种温度场计算方法是否适用于大空间钢结构屋面附近空气温度场的计算进行了分析和讨论。(2)对大空间钢结构火灾升温过程中受力性能的计算方法进行了探讨,通过对比分析确定了结构钢材和高强度钢索在火灾高温下的材料属性,并以门式刚架钢结构为例,对此计算方法的有效性进行了进一步阐明。(3)提出了四角锥网架火灾下中心点位移的计算方法——修正拟夹层板法,并结合火灾下受力性能影响因素分析,得到了考虑不均匀温度场分布的临界温度计算表。在对单层网壳火灾下弹塑性承载力研究的基础上,提出了单层网壳火灾下弹塑性稳定承载力的简化计算公式。(4)推导了索桁架结构和鞍形索网结构火灾下竖向位移和预应力变化的计算公式。利用有限元计算分析方法对张弦梁结构火灾下受力特点进行了研究。给出了单层索网玻璃幕墙临界温度的取值方法,计算得到了适用于单层索网玻璃幕墙结构不同跨度、网格尺寸、钢索直径下的临界温度计算表。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的意义和背景
• 1.2 大空间钢结构的抗火设计方法
• 1.2.1 钢结构抗火设计的发展过程
• 1.2.2 大空间钢结构抗火性能化设计方法
• 1.3 现行钢结构抗火设计规范
• 1.3.1 指令性规范与性能化设计规范的差别
• 1.3.2 我国钢结构抗火设计相关规范
• 1.3.3 国外钢结构抗火设计规范
• 1.4 国内外钢结构抗火研究现状
• 1.4.1 火源模型
• 1.4.2 结构空间与结构构件温度场分布
• 1.4.3 钢结构构件抗火设计
• 1.4.4 钢结构整体抗火性能
• 1.4.5 大空间钢结构抗火研究存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 大空间结构火灾下不均匀温度场计算
• 2.1 火源模型的简化方法
• 2.1.1 简化火源模型的建立
• 2.1.2 各种建筑类型火源功率值的设定
• 2.2 火灾下大空间结构不均匀温度场数值计算方法
• 2.2.1 温度场分布数值计算基本原理
• 2.2.2 温度场常用数值计算方法
• 2.2.3 火灾下大空间结构不均匀温度场数值分析基本方法
• 2.2.4 数值模拟不均匀温度场的准确性分析
• 2.3 大空间结构不均匀温度场分布影响因素分析
• 2.3.1 不同火灾热释放率曲线的影响
• 2.3.2 火源位置变化时的影响
• 2.3.3 多个火源同时存在时的影响
• 2.3.4 排烟作用的影响
• 2.4 其他计算方法适用性探讨
• 2.4.1 屋面附近空气温度场分布规律
• 2.4.2 各种计算方法适用性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 大空间钢结构火灾下受力性能分析
• 3.1 大空间钢结构火灾下受力性能分析基本方法
• 3.2 结构钢材火灾作用下的基本性能
• 3.2.1 热膨胀系数
• 3.2.2 弹性模量
• 3.2.3 屈服强度
• 3.2.4 应力－应变关系模型
• 3.3 高强度钢索材料火灾作用下的基本性能
• 3.4 火灾作用下的荷载组合
• 3.5 大空间钢结构火灾下受力分析实例
• 3.5.1 结构几何模型的建立
• 3.5.2 火灾升温值计算
• 3.5.3 荷载组合及材料属性、本构关系
• 3.5.4 门式刚架钢结构火灾下整体力学响应
• 3.5.5 不同应力－应变关系模型对受力性能的影响对比分析
• 3.5.6 进一步分析与讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 空间网格结构体系火灾下受力性能分析
• 4.1 火灾均匀升温时四角锥网架的简化分析方法
• 4.1.1 网架结构火灾下有限元分析基本方法
• 4.1.2 火灾高温下的修正拟夹层板法
• 4.2 四角锥网架火灾不均匀温度下受力性能影响因素分析
• 4.2.1 网架厚度的影响
• 4.2.2 柱距的影响
• 4.2.3 支座刚度的影响
• 4.3 四角锥网架结构火灾下的临界温度
• 4.3.1 四角锥网架临界温度的选取方法建议
• 4.3.2 四角锥网架结构抗火临界温度计算
• 4.4 单层网壳火灾下的弹塑性稳定承载力计算
• 4.4.1 网壳结构火灾下有限元计算分析方法
• 4.4.2 网壳研究计算模型
• 4.4.3 结构整体不均匀温度场时弹塑性承载力分析
• 4.4.4 局部高温时结构整体弹塑性承载力分析
• 4.5 单层网壳火灾下弹塑性稳定承载力简化计算公式
• 4.6 本章小结
• 第5章 大空间索支承钢结构火灾下受力性能分析
• 5.1 索桁架结构火灾下的计算方法与受力性能
• 5.1.1 火灾下索桁架结构的计算公式推导
• 5.1.2 火灾下预应力索桁架计算方法
• 5.1.3 火灾下索桁架结构的受力性能
• 5.2 张弦梁结构火灾下受力性能
• 5.2.1 火灾下的基本方程
• 5.2.2 火灾下受力性能的有限元分析
• 5.3 预应力鞍形索网火灾下计算方法与受力性能
• 5.3.1 火灾下鞍形索网结构的计算公式推导
• 5.3.2 火灾下预应力鞍形索网结构计算方法
• 5.3.3 火灾下预应力鞍形索网结构的受力性能
• 5.4 单层索网玻璃幕墙火灾下计算方法与受力性能
• 5.4.1 单层索网结构火灾高温下有限元计算分析
• 5.4.2 单层索网玻璃幕墙火灾下临界温度取值方法
• 5.4.3 单层索网玻璃幕墙抗火临界温度计算
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果