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(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)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(jì)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(shí)間不致破壞。對(duì)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(jì)方法已難以適用于其抗火設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合高大空間火災(zāi)的特點(diǎn)，對(duì)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(wèn)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(shí)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(shí)間長(zhǎng)以及局部效應(yīng)明顯等特點(diǎn)。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)空氣熱動(dòng)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(dòng)模型、頂棚浮射流運(yùn)動(dòng)模型以及煙氣層運(yùn)動(dòng)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(jì)算公式?；鹪?/p>

3、熱釋放功率、建筑室內(nèi)面積和頂棚高度對(duì)高大空間火災(zāi)頂棚處空氣溫度場(chǎng)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(jì)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(chǎng)。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(guó)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(duì)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(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響，并給出相應(yīng)的計(jì)算公式。根據(jù)熱輻射理論，本文研究了火焰對(duì)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(guò)程。結(jié)合以上研究結(jié)論，給山有保護(hù)層和無(wú)保護(hù)層時(shí)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(duì)流換熱和輻射換熱以及火源對(duì)鋼構(gòu)件的直接輻射換熱。同時(shí)，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(guó)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(duì)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(duì)比分析，并給出推薦值或計(jì)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(jì)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(chǎng)景以及有輕質(zhì)防火保護(hù)層和無(wú)防火保護(hù)