火灾下钢框架结构的温度场与整体效应分析

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钢结构的高温分析在国外起步相对较早,进行的试验与分析研究成果比较全面,而我国在这方面的研究则稍有落后。不论是高温下结构钢的材料属性、力学性能还是结构在高温下的反应,进行的试验和研究都较少。目前国内的钢结构抗火依然主要是采用基于构件的设计方法,该法的缺陷已经在很多试验中表明,那就是它很难真实的模拟构件在整体结构中的荷载分布及构件之间的相互约束作用,基于整体结构的抗火设计必然是今后的发展方向。另外,在近几年,性能化设计的方法得到了很大的发展,该法在研究火灾过程中空间的温度场分布及其它参数(烟气高度、有害气体浓度等)的计算很有实用价值。本文讨论了一种新的高温分析方法,即将性能化设计与结构有限元分析相结合,这样既可以得出较为直观的火灾后分析参数,又可以得到结构在火灾发生全过程的反应。本文以钢框架结构为分析模型,进行了如下的一下研究与分析:根据某地的实际工程建立几何模型,利用基于计算流体动力学的性能化设计软件FDS模拟火灾发生全过程,将火源设定为稳定火源,得到火灾空间不同点位的温度变化,并通过布设在构件边缘的温度计算点得到其变化规律;考虑结构钢在高温下的非线性性能,其热传导系数、比热、膨胀系数等参数的取值参照国外相关规范,并结合本文分析实际情况取值,采用通用有限元分析程序对钢构件内部温度场进行计算分析;将本文分析得到的温度场与目前多数高温分析所采用的标准升温曲线下的温度场进行对比,得出并分析二者差异;最后按照整体结构法分析构件在局部高温下的温度应力与变形,并与标准升温下的结果进行对比。通过本文的分析,笔者建议将性能化设计与有限元分析相结合,利用性能化分析温度场,再用有限元程序计算构件温度场及温度应力与变形,这样可以得到更加符合实际的结论。
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