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大空间建筑网架结构实用抗火设计方法

作　者: 杜咏
导　师: 李国强
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 大空间建筑火灾温度场场模拟钢构件升温温度—时间曲线火焰辐射正放四角锥网架临界温度有限元分析结构极限承载力
分类号: TU356
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

大空间建筑作为公共建筑广泛应用的一种空间形式,其建筑骨骼——结构在火灾作用下的安全性是结构工程师必须考虑的问题。,应确定火灾作用中表征能量输出的温度场（非定场）,然后再。目前,国内外对这两方面的研究或为空白或相当粗略。本文首先是研究用于大空间结构整体抗火计算与分析的温度场,提出大空间建筑火灾中空气升温的实用计算式;然后在实用计算式确定的空气升温条件下,得出有防火保护和无防火保护的钢构件升温简化计算方法,同时考虑火焰辐射引起的局部钢构件升温;由于钢构件的升温将导致钢材的材料性能变化和被约束构件的附加温度内力产生,因此,最后分析大空间建筑结构之一的正放四角锥网架在设定火灾作用下的结构反应,最终得到网架的实用抗火设计方法。具体的研究工作包括如下几个方面一、收集国内外对火灾特性的研究成果,充分认识火灾中空气升温的机理,确定用数值模拟方法预测建筑火灾中空气升温的温度场。二、确定大空间建筑火灾空气升温影响参数的定性变化规律,根据该参数变化规律,设计火灾场景,基于FDS非商业（美国NIST于2002年研发）火灾模拟计算机程序进行数值模拟实验。三、在对大空间建筑火灾中空气升温影响参数分析基础上,提出大空间建筑火灾中空气升温曲线的数学表达式,在大量数值模拟实验基础上,回归数学表达式中各项系数。得出实用大空间建筑火灾中空气升温计算分式,填补了目前研究中仅有小室火灾升温曲线,而无大空间建筑火灾升温曲线的空白。四,对于集总热容法建立钢构件的热平衡方程一般采用增量法求解的钢构件升温计算方法作进一步简化。将大空间建筑火灾下空气升温的实用计算方式导入基于集总热容法的钢构件热平衡方程,并对热平衡方程中各参数进行回归分析,得出有防火保护和无防火保护钢构件升温的简化计算方法。避免用增量法求解热平衡方程的繁琐。五、根据火焰的热物性（角系数、黑度）钢构件有效辐射表面系数概念,对集中热容法建立钢构件热平衡方程进行改进,通过对热平衡方程中的参数分析,提出不需考虑火焰辐射对钢构件升温影响的条件,在满足钢构件升温计算精度条件下,简化钢构件升温计算。六、基于通用有限元程序ANSYS对正放四角锥网架在恒载加温条件下的非线性结构（几何非线性,材料非线性）反应进行分析,模拟了在均匀温度场和非均匀温度场中,恒定加载下不同几何特性的正放四角锥网架整体结构反应,得到不同的参数条件下的正放四角锥网架在火灾中构件稳定破坏的临界温度T_cr0和整体结构丧失承载能力的临界温度T_cr。七、用有限元程序ANSYS进行网架在火灾中的结构全过程反应分析,得到不同参数条件下网架临界温度(T_cr0和T_cr)值,在对影响T_cr0和T_cr的参数分析基础上确定网架的临界温度T_cr0和T_cr值的简化计算方法,进而提出大空间建筑网架结构实用抗火设计方法。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-27
  1.1 研究背景及意义  13-15
  1.2 研究目标  15
  1.3 研究现状  15-19
  1.4 存在的问题  19-20
  1.5 本文主要研究工作  20-21
  参考文献  21-27
第二章高大空间建筑火灾  27-47
  2.1 高大空间建筑火灾特点  27-28
    2.1.1 高大空间建筑概述  27
    2.1.2 高大空间建筑火灾特点  27-28
  2.2 高大空间建筑火灾的表征参数  28-33
    2.2.1 建筑火灾荷载  28-31
    2.2.2 建筑火灾发展类型  31-32
    2.2.3 高大空间建筑防火分区分类  32-33
  2.3 高大空间建筑火灾空气升温  33-38
    2.3.1 高大空间建筑火灾场景设计  33-34
    2.3.2 高大空间建筑火灾空气升温影响参数  34-38
  2.4 高大空间建筑火灾中空气升温实用计算公式  38-43
    2.4.1 高大空间建筑火灾中温度非定场的简化模型  38-40
    2.4.2 建立高大空间建筑火灾下的空气升温数学表达式  40
    2.4.3 建立实用高大空间建筑火灾下的空气升温经验公式  40-42
    2.4.4 实用高大空间建筑火灾下的空气升温经验公式算例  42-43
  2.5 小结  43-44
  参考文献  44-47
第三章高大空间建筑火灾中钢构件的升温  47-85
  3.1 钢构件升温的数值计算方法  47-49
    3.1.1 引言  47-48
    3.1.2 无保护层钢构件升温计算方法  48
    3.1.3 有保护层钢构件升温计算方法  48-49
  3.2 钢构件升温的影响参数  49-50
    3.2.1 截面形状系数F/V  49-50
    3.2.2 传热系数  50
    3.2.3 空气升温条件  50
  3.3 参数分析  50-54
    3.3.1 无保护层钢构件升温影响参数分析  50-52
    3.3.2 有保护层钢构件升温影响参数分析  52-54
  3.4 火灾中钢构件升温实用计算式  54-60
    3.4.1 无保护钢构件升温实用计算式  54-56
    3.4.2 有保护钢构件升温实用计算式  56-58
    3.4.3 算例  58-60
  3.5 火焰辐射对钢构件升温的影响  60-74
    3.5.1 钢构件的升温计算  60-64
    3.5.2 辐射角系数计算  64-67
    3.5.3 火焰形状参数  67-69
    3.5.4 黑度的取值  69
    3.5.5 参数分析  69-72
    3.5.6 是否考虑火焰辐射影响的钢构件升温计算方法的角系数限值  72
    3.5.7 算例  72-74
  3.6 小结  74-84
  参考文献  84-85
第四章高温下钢材的材料性能  85-97
  4.1 高温下钢材的热物理性能  85-87
    4.1.1 热传导系数  85-86
    4.1.2 比热  86
    4.1.3 密度  86-87
  4.2 高温下钢材的力学性能  87-94
    4.2.1 屈服强度  87-89
    4.2.2 弹性模量  89-90
    4.2.3 泊松比  90
    4.2.4 应力——应变本构关系  90-93
    4.2.5 热膨胀系数  93-94
  4.3 小结  94-95
  参考文献  95-97
第五章火灾下网架结构的非线性有限元分析方法  97-111
  5.1 目前网架结构在温度荷载下的空间杆系有限元法  97-101
    5.1.1 单元刚度矩阵  97-100
    5.1.2 杆件整体坐标系单刚矩阵  100-101
    5.1.3 总刚度方程求解  101
  5.2 火灾下计算网架结构的空间杆系有限元法  101-103
  5.3 火灾下网架结构的ANSYS有限元分析模型  103-109
    5.3.1 定义单元类型  104
    5.3.2 定义材料属性及实常数  104-105
    5.3.3 定义荷载及荷载步  105
    5.3.4 结构临界温度的判断准则  105-107
    5.3.5 ANSYS分析中受压单元的工作状态  107-108
    5.3.6 ANSYS非线性有限元分析程序的可行性验证  108-109
  5.4 小结  109-110
  参考文献  110-111
第六章网架结构在火灾中的临界温度  111-154
  6.1 参数分析方案  111-113
    6.1.1 结构几何尺寸及网格形式  111-112
    6.1.2 边界条件  112-113
  6.2 参数定义  113-116
    6.2.1 构件稳定应力比  113-114
    6.2.2 荷载比  114
    6.2.3 网架的控制杆件和非控制杆件  114
    6.2.4 网架的几何特征  114-116
    6.2.5 网架的临界温度  116
  6.3 均匀温度场中网架结构力学反应的全过程分析  116-125
    6.3.1 在均匀温度场下网架的破坏过程  117-123
      6.3.1.1 构件的温度应力σ_T及温度应变e_T  117
      6.3.1.2 当C/D=0.164时网架在均匀温度场下结构全过程分析  117-120
      6.3.1.3 当C/D=0.189时网架在均匀温度场下结构全过程反应分析  120-123
    6.3.2 在均匀温度场下网架的临界温度  123-125
  6.4 非均匀温度场中网架结构力学反应的全过程分析  125-145
    6.4.1 非均匀温度场的确定  125-126
    6.4.2 非均匀温度场η取值对网架临界温度的影响  126-139
    6.4.3 荷载比R对非均匀温度场中网架临界温度的影响  139
    6.4.4 C/D对非均匀温度场中网架临界温度的影响  139-144
    6.4.5 网架形式对结构临界温度T_(cr)的影响  144-145
  6.5 小结  145-153
  参考文献  153-154
第七章大空间建筑网架结构抗火设计实用方法  154-170
  7.1 在均匀温度场中网架结构临界温度实用计算方法  154
  7.2 在非均匀温度场中网架结构临界温度实用计算方法  154-161
  7.3 大空间建筑网架结构不需防火保护的简化设计方法  161-167
  7.4 大空间网架结构的抗火设计实用方法  167
  7.5 大空间网架结构的抗火设计实用方法算例  167-168
  7.6 小结  168-170
第八章结论与展望  170-172
  8.1 本文主要结论  170-171
  8.2 大空间建筑网架结构实用抗火设计方法的展望  171-172
致谢  172

大空间建筑网架结构实用抗火设计方法

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