多层混凝土框架火灾连续倒塌数值分析

常规的结构抗火设计主要针对构件,但实际结构系统中的构件受力更为复杂。为分析整体结构在火灾下的破坏和倒塌,基于纤维梁模型和简化楼板建模方法,建立了一个8层混凝土框架整体结构数值模型。分析不同结构位置处3开间发生火灾时的整体结构力学响应。结果表明:框架柱在压弯组合作用下更易发生破坏。当结构短边受火作用时,由于结构内力重分布能力不足,柱破坏会触发结构连续倒塌。而其他结构部位受火时,周边结构能够有效分担受火区域的荷载,从而抵抗连续倒塌的发生。     

极端火灾作用下典型超高层混凝土框架-核心筒结构的连续倒塌分析

911事件以来,意外荷载作用下超高层结构的连续倒塌问题日益受到关注。该文采用考虑高温作用的高性能有限单元、高温破坏准则及生死单元技术,对极端火灾作用下典型超高层混凝土框架-核心筒结构的连续倒塌进行了分析。研究发现,该结构系统中的多层结构共同承受火灾作用时,由于火灾热膨胀变形的影响,超高层框架-核心筒结构产生类似桁架拱的整体受力机制,使得结构体系内不仅在水平方向发生内力重分布,而且在竖向也发生内力重分布。楼盖系统的热膨胀和破坏失效对外围柱的破坏具有重要影响,最终造成外围柱由于较大的二阶效应而发生受弯破坏,触发了整体结构系统的连续倒塌。     

基于实际火灾场景的钢框架结构倒塌机制分析

采用ABAQUS建立无楼板的多层钢框架模型,采用顺序热-固耦合法,综合考虑实际火灾场景下局部火源位置、火源功率变化、非均匀分布温度场及火灾作用下梁柱失效进行分析,研究了在梁柱的受火形式和失效柱位置两种因素影响下钢框架结构的初始破坏机理与倒塌机制。结果表明：钢框架结构的连续倒塌始于受火柱的屈曲失效,与之相连的梁由于失去竖向支撑挠度增大并产生拉力,使内力重分布柱产生侧移,进而在火灾的持续作用下结构位移不断发展,破坏向周围扩散,最终导致结构发生连续性倒塌;当底层失效柱为角柱和边柱时,结构发生倾覆式连续性倒塌;当底层失效柱主要分布在结构对称轴上时,结构发生下沉式连续性倒塌,该类型倒塌发生较为突然。     

钢管混凝土框架柱耐火性能研究

建立了火灾下钢管混凝土柱-钢梁平面框架的有限元模型,对不同火灾工况、不同位置的钢管混凝土框架柱的破坏形态、受力机理、内力重分布规律、耐火极限等进行了系统的分析。分析表明,火灾下钢管混凝土框架柱出现了两种典型的破坏形态:当框架柱位于非顶层时,由于柱顶转动约束较大,框架柱出现3个塑性铰成为机构而发生破坏;当框架柱位于顶层时,由于柱上端的转动约束较小,框架柱在中上部出现1个塑性铰而发生破坏。非顶层、同层火灾工况下,当框架柱受火情况相同时,随受火范围的扩大,由于内力重分布,火灾中破坏柱所受的压力较大,耐火极限较小。非顶层、同跨火灾工况下,随楼层增高,框架柱的轴压比减小,耐火极限增加。     

局部火灾导致钢结构破坏的ANSYS模拟研究

钢结构建筑发生火灾多为从局部发生,进而影响钢结构整体,因此有必要对局部的火灾对整体结构产生影响甚至破坏倒塌进行研究.本文以某三层钢框架结构X向中柱作为研究对象,对其进行抗火性能研究,通过ANSYS分析,得到受火构件温度场分布,并且通过其内力分析和构件位移分析,能够得到钢结构中某个竖向受力构件在火灾中内力变化情况,以及最后导致整体结构破坏的机理.结果表明:钢结构的中柱在高温下会发生竖向弯曲现象,进而出现钢结构梁柱节点附近发生屈曲破坏;而最终结构整体会出现平面外的失稳,使得结构整体的荷载分布发生变化.     

火灾下钢筋混凝土框架结构高温力学性能数值模拟研究

建立一个单层双跨钢筋混凝土框架模型,基于钢筋和混凝土材料的热工性能和高温力学性能,运用ABAQUS 有限元软件对框架结构进行单室和多室火灾模拟,研究不同火灾工况下,梁、柱构件及整体结构的温度场分布、变形特征和内力变化规律。结果表明：框架结构在单跨受火及双跨受火两种不同受火情况下,双跨受火梁及边柱的温度场与单跨受火时相同,而中柱及节点核心区的温度分布存在差异;节点核心区温度较周围的梁段和柱段明显偏低;受火方式及框架柱的轴压比对框架结构高温力学反应存在显著影响。     

受火后型钢混凝土框架结构抗震性能研究

为了给受火后型钢混凝土框架结构的性能评估及修复加固提供方法,进行了火灾后型钢混凝土框架结构的抗震性能研究。在ABAQUS平台上,采用梁单元,同时通过编制材料子程序和场变量子程序,建立了可进行型钢混凝土框架结构火灾升降温作用下的力学性能及受火后抗震性能分析的计算模型。利用该计算模型对火灾升降温作用下型钢混凝土框架结构的变形及内力进行了分析。同时,考虑起火层位置、受火时间等参数的影响,采用考虑升降温的火灾后静力非线性分析方法和动力弹塑性时程分析方法,对火灾后型钢混凝土框架结构的破坏形态、地震作用后结构承载能力、变形特征等抗震性能进行了参数分析。分析表明,火灾升降温过程中,由于结构升温的滞后性,构件的变形增长及恢复也滞后于火灾空气升降温过程,受火后构件有残余变形;针对火灾发生在某一层的火灾工况,受火后框架承受水平地震(静力)作用时,框架破坏机构出现在底部3~5层;当受火层位于底层时,受火后框架的水平地震作用后结构承载能力降低幅度最大,受火时间为180、300 min时降幅分别为8%、9%;受火层位置越低,框架顶部位移越大;随受火时间增加,框架顶部位移增大。     

某建筑整体钢结构抗火响应特性的比较

以某钢结构建筑为例,在分别采用CFD模拟真实火灾温升和ISO 834标准温升两种情况下,利用ABAQUS软件后处理二次开发程序进行基于整体的钢结构抗火承载力分析,用直观云图显示受火构件破坏位置。结果表明,火灾温升曲线不仅影响钢结构破坏的时间,而且影响初始破坏构件的位置。得出只有基于整体的钢结构抗火分析才能反映火灾下钢结构的内力重分布作用,且在钢结构抗火验算中应当采用最接近真实工况的温升曲线的结论。     

自然火灾作用下钢筋混凝土框架结构性能分析

在考虑自然火灾的基础上,进行了局部火灾作用下框架结构传热分析和非线性分析,对其温度分布规律、内力重分布规律和变形规律进行了研究。传热分析表明,受火过程中,受火构件截面平均温度较低。分析表明,受火过程中,框架经历了明显的内力重分布,大多数截面的内力都经历了一个先增大后减小的过程,受火构件的热膨胀是内力重分布的主要原因;自然火灾作用下,框架结构没有达到耐火极限状态。     

火灾下钢筋混凝土平面框架结构受力机理分析

为研究火灾下钢筋混凝土框架结构的受力机理,采用梁单元建立了钢筋混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型,考虑火灾位置、柱轴压比和梁配筋率等参数的影响,对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限进行了参数分析。分析结果表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态：当柱轴压比较小时,框架出现受火梁破坏导致的框架局部破坏形态;当柱轴压比和梁配筋率均较大时,框架出现受火中柱和受火边柱破坏导致的框架整体破坏形态,整体破坏形态为连续性倒塌破坏。在框架局部破坏形态条件下,三面受火梁在框架竖向分布位置不同,受约束作用不同,框架的耐火极限亦不同;而在框架整体破坏条件下,柱轴压比越大,耐火极限越小。     

高层钢筋混凝土框架结构耐火性能分析

本文建立了火灾下高层钢筋混凝土框架结构的有限元计算模型,研究了高温下框架结构的变形规律、结构的破坏机制、塑性铰分布规律、受火梁的内力以及耐火极限。分析表明,本文高层钢筋混凝土框架结构火灾下发生了框架局部破坏和框架整体倒塌两种破坏形态;框架局部破坏情况下,当发生破坏的框架梁位于框架高度中间时,框架的耐火极限较大,当发生破坏的框架梁位于框架顶部或底部时,框架的耐火极限较小。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

火灾下门式钢刚架倒塌预警可靠度研究

为了解决实际火灾救援中火灾场景、荷载水平等不确定因素对倒塌预警准确性的影响，基于可靠度理论提出了预测受火建筑倒塌剩余时间的方法。采用经试验验证的三维有限元模型对火灾下门式钢刚架结构倒塌进行仿真模拟，基于火灾下门式钢刚架结构四种倒塌模式和三级倒塌预警指标，研究升温工况、柱脚刚性、荷载比等因素对倒塌剩余时间预测的不定性影响，通过蒙特卡罗抽样，研究考虑各种影响的火灾下门式钢刚架倒塌预警指标概率统计参数。结果表明：倒塌剩余时间比仅与可靠度和倒塌模式有关，不受火灾现场的各种不确定性因素影响，可以在火灾发生前通过理论分析提前计算得到；火灾中采用可靠度60%～80%对应的倒塌剩余时间比可以快速合理地预测受火刚架的剩余倒塌时间。     

侧向力作用下平面钢交错桁架火灾响应弹塑性分析

对高温下钢交错桁架结构的抗侧力性能进行弹塑性有限元分析,考虑侧向力形式、火灾温度等因素,给出结构的侧向位移、弦杆挠度、弯矩等重要参数随温度的变化规律及结构受火后的塑性发展过程,分析其破坏形式与耐火极限。结果表明:受侧向力作用时,该体系顶点侧移随温度的变化主要可分为5个阶段,这与结构受火后各构件相继由弹性阶段进入塑性阶段密切相关。同时,结构的位移、弯矩及塑性发展区域呈现明显的非对称分布,由于火灾膨胀受限使部分构件极易发生塑性变形,并导致受火层出现一系列内力重分布,直至结构破坏。侧向力的作用方式对结构的极限抗火温度影响较小,且最先发生塑性破坏的位置均出现在受火楼层上弦杆中间节间与侧向力相对的端节点处,此区域应加强防火保护等级。以上研究结果可为该结构防火保护的优化设置提供参考。     

整体结构中钢筋混凝土双向板火灾试验研究

利用自行研制的火灾试验炉,对足尺整体结构中钢筋混凝土双向板在火灾作用下的性能进行试验研究。介绍了整体结构足尺模型与火灾试验炉的设计、试验方案以及观测内容和方法,描述了试验现象及板的破坏特征,研究了双向板在受火过程中沿板厚的温度场分布规律以及板平面外和平面内的变形。结果表明：火灾作用下,沿板厚存在非线性温度场及较大的温度梯度;整体结构中相邻未受火构件的约束对受火双向板的火灾行为影响显著;主裂缝出现在受火板板顶靠近内板边的1/4跨度处（板顶负弯矩钢筋截断处）,由于结构连续性及相邻构件间的互相约束,与受火板相邻的未受火板顶也出现了规则裂缝;受火板顶主裂缝的形成和发展引起板内弯矩重分布,导致最大平面外位移最终发生在距板中心不远,偏向于内板边的位置;整体结构中钢筋混凝土双向板具有较好的抗火性能。     

火灾下张弦梁结构的性能分析(英文)

基于实用大空间火灾空气温升模型和张弦梁结构三维整体有限元模型,对火灾下整体结构的抗火性能进行了模拟分析.研究对比了不同火源面积和高度下结构的温度场分布、位移和应力特征、钢索的应力变化和结构破坏模式,得到了不同火灾下张弦梁结构的极限耐火时间.分析结果表明:在火灾作用下由于张弦梁结构局部构件变形过大不能继续承载,导致整体结构失稳和倒塌;结构的抗火薄弱区域位于结构中心附近,结构变形不对称;火灾下引起张弦梁结构破坏的主要因素为较大的初始应力以及高温下结构刚度和强度的降低.     

同跨受火时两层两跨组合钢框架抗火性能的试验研究

利用自行研制的火灾试验炉,对两榀两层两跨组合钢框架在同跨火灾作用下的性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火、节点不受火,梁、板受火而柱、节点不受火两种。试验中量测了各种工况的炉温,框架梁、柱及混凝土楼板中的温度分布及框架水平和竖向位移。结果表明:钢柱四面受火时,钢柱翼缘、腹板的温度相差很小;对于钢梁,除了与混凝土接触的上翼缘外,其余H型钢梁的裸露部分温度分布基本均匀;混凝土内部的温升一般滞后于钢梁,钢筋混凝土板对钢梁有约束作用,升温时混凝土限制钢梁的膨胀、降温时则限制钢梁的收缩,致使钢筋混凝土板中出现很多裂缝;组合梁的抗火性能明显优于钢柱,工程中应对钢柱和节点实施保护;钢框架未受火部分对受火部分约束很大,导致受火跨边柱与中柱的变形不对称,同样也产生了内力重分布。     

火灾下组合钢框架的倒塌性能

<正>美国研究人员对火灾下组合钢框架的倒塌性能开展了研究。通过有限元方法建立了六层钢框架结构的三维数值模型,该模型包括抗弯框架、承重力框架和中心支撑框架。选取标准火灾曲线和参数火灾曲线模拟火灾荷载,在两种不同的火灾情况下分别应用于建筑物模型。火灾工况包括一楼拐角隔间火灾和一楼整层火灾。通过不同火灾工况下结构的响应,评估整体结构的抗火灾倒塌性能。研究结果表明,采用有限元数值分析方法,可以合理准确地预测钢结构的结构响应,包括结构构件和节点在火灾过程中的倒塌机理和行为。     

蔓延火灾下钢框架结构抗火性能试验研究

为研究蔓延火灾下钢框架结构建筑室内火灾温度场、钢构件温度分布和位移的发展规律,对1个足尺的两层钢框架结构进行蔓延火灾试验,测量试验区域内关键位置的空气温度、钢构件温度和位移。试验结果表明：试验中火源房间内的火灾过程呈现4个明显的发展阶段,受火70min时室内火灾达到全盛,测得火灾烟气层最高温度730℃;受火82min时火灾从火源房间蔓延至邻近房间,导致了邻近房间内各受火钢构件温度峰值出现在不同时刻,同时,各构件历经扩散热烟气加热、直接受火加热和冷却降温3个阶段,呈现反复升降温的受火过程;受火过程中,钢构件温度变化显著滞后于火场温度,受火钢柱先后升温产生向上的轴向变形。与传统室内火灾相比,蔓延火灾扩大了火场范围和钢结构受火范围,对结构安全和人员安全造成更大威胁,因此在进行结构抗火设计时应得到充分考虑。     

高温下超静定钢结构受力情况分析

采用FDS火灾动态模拟软件建立钢结构厂房火灾场景,并运用ANSYS有限元分析软件进行结构受力分析。研究表明:在高温作用情况下,超静定钢结构工程由于内力重分布会导致构件内力发生较大的变化,可能与常温下的受力设计不一致,进而造成结构失稳。由此提出,对钢结构在高温作用下的安全分析,应当进行基本钢结构单元的抗火承载力验算,而不能仅因为温度远未达到失去静态平衡稳定性的临界温度(540℃左右)就认为结构是安全的。