钢结构整体抗火模型的建立与有限元分析

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随着钢结构产业近年来的迅速发展和钢结构的施工技术的不断提高,钢结构在建筑领域所占比重逐渐增加,尤其对于一些复杂的公共建筑和超高层建筑而言,钢结构便于拆卸安装、材料强度高、施工周期短等独特的优点使钢材成为该类建筑的最好选择。但钢材的耐火性很差,在建筑防火方面的局限性已经成为限制钢结构发展的致命缺陷,高温火灾下钢材的材料性能会发生很大变化,钢材的主要性能参数包括屈服强度和弹性模量等都会急剧下降。未施加合理防火保护的钢构件将会在很短时间内产生局部破坏,从而造成整体结构的倒塌,给人类的生命带来重大伤害给建筑物结构造成难以修复的损伤,因而对于钢结构整体抗火性能的研究具有重要的现实意义。目前基于计算的钢结构抗火设计方法能够准确的模拟结构的边界约束和各类载荷,因而被国内外多数的学者和研究机构所采用。但目前大多数钢框架结构所建立的有限元模型都是楼板为矩形的整跨间结构,然而实际工程中存在大量具有边角结构的建筑,该类结构本身具有非对称性在高温下整体结构的力学性能必然有所不同。本文以工程实际中的钢框架整体结构为研究对象,应用大型有限元分析软件ABAQUS,通过在inp文件中编辑关键字直接建立整体钢框架结构模型,并直接实现ABAQUS/Standard中的抗火性能的分析和数值模拟。本文首先采用标准室内升温曲线对单根工字型钢梁的实体模型进行传热学分析,获取钢梁沿截面不同高度处节点的温度场分布情况,比较不同高度处节点的温度随时间的变化规律和钢梁整个截面上的温度梯度的大小,再将沿截面高度非线性分布的温度载荷施加到整体结构中进行结构场的分析。本文根据火灾发生在不同位置而设置了三种工况,考察了火灾发生在不同房间时未受防火保护的次梁的竖向位移沿梁轴线方向的变化情况、混凝土楼板的变形规律以及不同工况下结构整体的最大位移和最大应力的发生位置。通过对火灾发生在不同房间时整体结构力学性能的分析对比可以发现,具有非对称边角结构的建筑在火灾下的抗火性能与火源位置有很大关系,当边角处的房间受火时立柱钢梁等结构在火灾下受到破坏更加明显;楼板的背火面与向火面应力分布相差较大,受火房间与非受火房间的交界处因温度落差较大,导致受火间楼板的周围产生较大应力。通过钢框架整体结构抗火性能的分析和数值模拟,考察了具有非对称性的整体结构在局部火灾下的结构响应,为该类建筑的抗火设计提供了一些有益的思路。
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