大跨空間鋼結(jié)構(gòu)基于性能的火災(zāi)仿真與抗火研究.pdf

1、目前，大跨空間鋼結(jié)構(gòu)抗火性能是國內(nèi)外學(xué)者研究的一個熱點(diǎn)課題。眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)抗火性能較差，在火災(zāi)作用下很快便喪失承載力。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)防火采用耐火極限設(shè)計方法，即在標(biāo)準(zhǔn)火(ISO834)作用下，鋼構(gòu)件應(yīng)達(dá)到規(guī)定的耐火時間不致破壞。對火跨空間鋼結(jié)構(gòu)而言，由于頂棚較高、室內(nèi)面積較大，大空間建筑火災(zāi)的空氣溫度分布與小空間建筑火災(zāi)相差很大。傳統(tǒng)的耐火極限設(shè)計方法已難以適用于其抗火設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合高大空間火災(zāi)的特點(diǎn)，對空氣溫度分布規(guī)律、鋼

2、構(gòu)件升溫影響參數(shù)、高溫下鋼材的特性以及大跨空間鋼結(jié)構(gòu)整體抗火性能等問題進(jìn)行了較為深入的研究與分析。 本文詳細(xì)地描述了高大空間發(fā)生火災(zāi)時的各種現(xiàn)象，表明高大空間火災(zāi)具有燃燒猛烈、持續(xù)時間長以及局部效應(yīng)明顯等特點(diǎn)。在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)空氣熱動力學(xué)和傳熱學(xué)理論，建立適用于高大空間火災(zāi)的火源燃燒模型、火羽流運(yùn)動模型、頂棚浮射流運(yùn)動模型以及煙氣層運(yùn)動模型，最終得到頂棚附近煙氣層溫度分布規(guī)律，并給出相應(yīng)的計算公式。火源

3、熱釋放功率、建筑室內(nèi)面積和頂棚高度對高大空間火災(zāi)頂棚處空氣溫度場分布影響最大?？諝鉁囟确植季植啃?yīng)明顯，以火源正上方最高，隨與火源水平距離增大而逐步遞減。本文提出的公式可計算頂棚高度大于12m、室內(nèi)面積大于500m、火源熱釋放功率火于5MW的建筑室內(nèi)火災(zāi)空氣溫度場。最后，本文利用上海地區(qū)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》中的推薦公式和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文研究成果。 本文研究與分析了影響鋼構(gòu)件升溫的對流換熱系數(shù)，考慮了

4、熱煙氣流速和鋼構(gòu)件截面形狀對對流換熱系數(shù)的影響，并給出相應(yīng)的計算公式。根據(jù)熱輻射理論，本文研究了火焰對鋼構(gòu)件的直接輻射作用，以及熱煙氣和鋼構(gòu)件之間的相互輻射過程。結(jié)合以上研究結(jié)論，給山有保護(hù)層和無保護(hù)層時大跨空間鋼結(jié)構(gòu)頂棚處鋼構(gòu)件的升溫公式，共考慮三種換熱作用，即熱煙氣與鋼構(gòu)件之間的對流換熱和輻射換熱以及火源對鋼構(gòu)件的直接輻射換熱。同時，區(qū)分受火焰直接作用和非火焰直接作用兩種情況。 本文收集了國內(nèi)外已有的高溫下鋼材材料性能試驗(yàn)數(shù)

5、據(jù)，重點(diǎn)對鋼材的熱膨脹系數(shù)、密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)，屈服強(qiáng)度以及彈性模量隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行對比分析，并給出推薦值或計算公式。 結(jié)合背景工程——江蘇省科學(xué)歷史文化中心主展館，本文進(jìn)行人跨空間鋼結(jié)構(gòu)基于性能的整體抗火分析與計算。在分析中，考慮了高溫引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件膨脹變形的幾何非線性，以及鋼材屈服強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高而下降的材料非線性。在有限元分析中按照結(jié)構(gòu)受力不利原則，考慮火源位置不同的兩種火災(zāi)場景以及有輕質(zhì)防火保護(hù)層和無防火保護(hù)