大跨空間鋼結(jié)構基于性能的火災仿真與抗火研究.pdf

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

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

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頂棚處空氣溫度場分布影響最大?？諝鉁囟确植季植啃黠@，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)火災空氣溫度場。最后，本文利用上海地區(qū)《建筑鋼結(jié)構防火技術規(guī)程》中的推薦公式和中國科學技術大學火災數(shù)值試驗數(shù)據(jù)驗證本文研究成果。 本文研究與分析了影響鋼構件升溫的對流換熱系數(shù)，考慮了

4、熱煙氣流速和鋼構件截面形狀對對流換熱系數(shù)的影響，并給出相應的計算公式。根據(jù)熱輻射理論，本文研究了火焰對鋼構件的直接輻射作用，以及熱煙氣和鋼構件之間的相互輻射過程。結(jié)合以上研究結(jié)論，給山有保護層和無保護層時大跨空間鋼結(jié)構頂棚處鋼構件的升溫公式，共考慮三種換熱作用，即熱煙氣與鋼構件之間的對流換熱和輻射換熱以及火源對鋼構件的直接輻射換熱。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數(shù)

5、據(jù)，重點對鋼材的熱膨脹系數(shù)、密度、比熱、導熱系數(shù)，屈服強度以及彈性模量隨溫度的變化關系進行對比分析，并給出推薦值或計算公式。 結(jié)合背景工程——江蘇省科學歷史文化中心主展館，本文進行人跨空間鋼結(jié)構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)構構件膨脹變形的幾何非線性，以及鋼材屈服強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)構受力不利原則，考慮火源位置不同的兩種火災場景以及有輕質(zhì)防火保護層和無防火保護