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不同涂层厚度对火灾下简支钢梁耐火性能的影响分析

作　者: 杜明淮
导　师: 何沛祥
学　校: 合肥工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 简支钢梁有限元分析防火涂料涂层厚度耐火性能
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钢结构即是用不同的型钢和钢板等构件通过焊接、铆接或者是螺栓连接进而组成的工程结构，由于其自身的优越性使得其在众多的建筑结构类型中脱颖而出，在建筑结构类型中占据着不可替代的位置。其优点主要体现在材质均匀可靠性高、塑性和韧性好、相同的自重承载能力高、便于安装和施工周期短等各方面。但由于钢材本身的性能，火灾发生后，钢构件的极限承载力就会下降，变形也相应的增加，便会在短时间内趋于破坏。目前国内外学者对钢结构的防火问题也做了大量的研究，这其中包括大量的钢结构火灾试验和数值模拟，通过这些努力，希望能找到关于钢结构防火的更有效的方法，更好的应用于适合现代社会发展的高层和大跨度建筑中去。本文选定简支钢梁为研究对象，用ANSYS数值模拟分析不同的超薄涂型、薄涂型和厚涂型防火涂料的厚度对其耐火性能的影响，主要内容如下：（1）针对本文所选的研究对象(跨度为8m的简支钢梁)，基于ISO-834室内火灾标准温升曲线下，先在钢梁上面涂覆超薄涂型(涂层厚度小于等于3mm)的防火涂料，利用ANSYS分析软件，采用逐渐递增涂层厚度的方式来分析钢梁在火场中的应力、最大挠度以及钢梁截面平均温度的变化，研究结果发现：钢梁的耐火时间是在缓慢增长的，但不是线性增长的，而且其增长率在减小，特别是在2.5mm到3mm这个范围内，钢梁的耐火时间基本不随涂层厚度的增加而变大，超薄涂型的防火涂料的极限耐火时间可以达到将近2个小时；(2)利用ANSYS分析软件，在保证简支钢梁(跨度为8m)和火场温升曲线(ISO-834室内火灾标准温升曲线)不变的条件下，将超薄涂型的防火涂料换成薄涂型（涂层厚度大于3mm小于等于8mm）的防火涂料涂覆于简支钢梁表面上，用同样的方法来分析钢梁各耐火性能的变化，研究结果发现：钢梁的耐火时间也不是线性增长的，而是先随着涂层厚度的增加而变大，到涂层厚度为7mm左右的时候其增长率就趋于平缓了，相比较其总的耐火时间而已可以看成是保持不变的，薄涂型的防火涂料的极限耐火时间大概为2.4个小时；(3)利用ANSYS分析软件，在保证简支钢梁(跨度为8m)和火场温升曲线(ISO-834室内火灾标准温升曲线)不变的条件下，再将薄涂型防火涂料换成厚涂型(大于8mm小于等于45mm)的防火涂料涂覆于钢梁上，仍然采用相同的方法来分析，研究结果发现：厚涂型防火涂料的涂层厚度从9mm增加到33mm，钢梁的耐火时间可以看成是随着涂层厚度的增加而线性增加的，而涂层厚度从33mm到45mm，耐火时间无明显变化。同时也说明当涂层厚度增加到一定值时，钢梁的耐火时间不会随着厚度的增加而增加。(4)通过对三种不同的防火涂料的各方面性能作比较发现,涂层厚度在1.5mm与3mm之间的超薄涂型、涂层厚度在4mm与6mm之间的薄涂型以及涂层厚度在13mm与17mm之间的厚涂型的防火涂料之间存在着一定的等效替代关系,他们之间任意一种涂层厚度下的涂料都可以由另外两种不同种类的在相应的涂层厚度条件下的涂料所代替。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
致谢  9-15
第一章绪论  15-22
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 钢结构抗火设计方法  16-18
    1.2.1 基于试验的构件抗火设计方法  16
    1.2.2 基于计算的钢构件抗火设计方法  16-17
    1.2.3 基于计算的结构的抗火设计方法  17
    1.2.4 考虑火灾随机性的结构的抗火设计方法  17-18
  1.3 国内外的研究概况  18-19
  1.4 本文研究的主要内容  19-22
    1.4.1 研究目的  19-20
    1.4.2 本文的主要内容和组成结构  20-22
第二章建筑钢结构的防火涂料及本文的研究对象  22-35
  2.1 建筑钢结构的防火涂料  22-26
    2.1.1 建筑钢结构防火涂料的分类及特点  22-23
    2.1.2 防火涂料在防火过程中的问题分析  23-25
    2.1.3 建筑钢结构防火涂料的阻燃机理  25-26
    2.1.4 建筑钢结构防火涂料的发展趋势  26
  2.2 建筑钢结构的防火保护方法  26-28
    2.2.1 截流法  26-27
    2.2.2 疏导法  27-28
  2.3 研究对象  28-32
    2.3.1 简支钢梁的设计载荷  30-32
    2.3.2 简支钢梁的失效判据  32
  2.4 标准升温曲线  32-33
  2.5 本章小结  33-35
第三章高温下建筑钢结构的性能及本文的研究方法  35-50
  3.1 高温下钢材的性能  35-39
    3.1.1 高温下钢材的热工性能  35-37
    3.1.2 高温下钢材的力学性能  37-39
  3.2 温度场的传热分析  39-41
    3.2.1 热传导的基本原理  39-40
    3.2.2 热对流的基本原理  40-41
    3.2.3 热辐射的基本原理  41
  3.3 研究方法  41-48
    3.3.1 有限元基本理论  41-46
    3.3.2 建筑钢构件温升计算公式  46-48
  3.4 建筑钢结构的耐火极限  48
  3.5 本章小结  48-50
第四章不同涂层厚度下简支钢梁热力耦合响应特性的分析  50-68
  4.1 简支钢梁的有限元模型概述  50-51
  4.2 简支钢梁的耐火时间分析  51-59
    4.2.1 超薄型防火涂料对钢梁耐火时间的研究  52-54
    4.2.2 薄涂型防火涂料对钢梁耐火时间的研究  54-56
    4.2.3 厚涂型防火涂料对钢梁耐火时间的研究  56-59
  4.3 简支钢梁的应力场及挠度分析  59-62
  4.4 简支钢梁的温度场分析  62-65
    4.4.1 超薄涂型下钢梁温度与受火时间的关系  62-63
    4.4.2 薄涂型下钢梁温度与受火时间的关系  63-64
    4.4.3 厚涂型下钢梁温度与受火时间的关系  64-65
  4.5 火灾中简支钢梁的温度与挠度之间的联系  65-67
    4.5.1 超薄涂型下钢梁温度与挠度之间的对比  65-66
    4.5.2 薄涂型下钢梁温度与挠度之间的对比  66
    4.5.3 厚涂型下钢梁温度与挠度之间的对比  66-67
  4.6 本章小结  67-68
第五章不同涂层厚度对钢梁耐火性能的比较分析  68-76
  5.1 不同涂层下钢梁耐火时间的比较分析  68-69
  5.2 不同涂层下钢梁温度云图的比较  69-71
  5.3 不同涂层下钢梁最大挠度变形云图的比较  71-73
  5.4 不同涂层下钢梁 Y 方向应力云图的比较  73-75
  5.5 本章小结  75-76
第六章结论与展望  76-78
  6.1 结论  76
  6.2 创新点  76-77
  6.3 进一步展望  77-78
参考文献  78-81
攻读硕士学位期间发表的论文  81-82

不同涂层厚度对火灾下简支钢梁耐火性能的影响分析

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