国产钢结构用Q345(16Mn)钢高温力学性能的恒温加载试验研究

为了对我国钢结构耐火设计提供基础数据,利用微机控制电液伺服试验机及加温装置和特别设计的变形测量装置,采用恒温加载试验方法,对国产10个钢厂生产的钢结构用Q345(16Mn)钢进行了152次试验研究,揭示了钢材在600℃范围内的力学性能变化规律和离散性,采用割交点法定义钢材的屈服强度,建立了钢材在恒温加载路径下的初始弹性模量、屈服强度和线膨胀系数计算模型。结果表明,钢材的初始高温弹性模量和有效屈服强度随温度升高而逐渐降低,温度越高降低幅度越大。初始高温弹性模量最大相对离散度为7.7%,平均为3.8%。钢材的有效屈服强度最大相对离散度为9.4%,平均为6.03%,离散度的1/3来自厂内,2/3来自厂间。钢材线膨胀系数随温度升高而逐渐增大;最大相对离散度为7.4%,平均为3.7%。建议在计算稳定性时初始高温弹性模量按均值减2倍均方差取值,计算变形或温度应力时按均值取值;对轴心受力构件屈服强度按均值减2倍均方差取值,其余构件按均值取值;线膨胀系数按其均值加2倍均方差取值。

轴心受压约束钢管柱温度应力试验研究

为揭示轴心受压钢构件温度应力的变化规律,利用自行研制的专用设备,采用恒载连续升温试验方法,设13级约束刚度,3级初应力,6种长细比,对215根Q345钢管柱进行试验研究。结果表明:①温度应力是最重要的作用效应,在钢结构耐火设计与评估中必须考虑。升温后期温度应力虽下降,但此前试件已经失效。②约束刚度和长细比越大,温度应力越大,试件的破坏温度越低,反之相反;约束刚度越大,长细比越小时,温度应力-温升曲线塑性平台越长。③长细比影响试件的破坏特征:长细比较大时,破坏后侧向残余变形较大,轴向变形较小,为失稳破坏;反之相反,为强度破坏。④不同的初应力下在温升初期曲线基本重合,斜率相同;初应力越低,温度应力越大,曲线从初始重合曲线上分离越晚,反之相反。⑤随温升增大,曲线呈现4个阶段:温升较小时,温度应力与温升呈线性关系;随后应力增长变缓,呈非线性关系;温升继续增大,温度应力保持不变,试件进入塑性阶段;最后随温升增大而温度应力变小,试件失效破坏。

国产钢结构用Q345(16Mn)钢在恒载升温条件下的应变-温度-应力材料模型

为了对我国钢结构耐火设计与评估提供基础数据,利用微机控制电液伺服试验机及加温装置和特别设计的变形测量装置,采用恒载升温试验方法,对国产10个钢厂生产的钢结构用Q345(16Mn)钢进行424次试验研究。把钢材总应变分离成初始应变、自由膨胀应变和耦合应变,构造出钢材的应变-温度-应力材料模型。当结构的应力水平确定后,应变-温度-应力模型给出材料应变随温度上升的变化规律,为钢结构的高温变形计算提供支持;如果规定了结构的破坏应变,则可确定结构在给定应力水平下的临界温度用以钢结构保护层厚度计算;如果已确定结构的最高温度和破坏应变,可用该模型计算钢材的设计强度进行钢结构高温承载力复核。所建立的ε-T-k模型可直接应用于任何静定钢构件,也可近似直接应用于约束作用较小或初应力较大的超静定钢构件;当与恒温加载模型联合使用,可应用于火灾中任意力-热途径作用下钢结构的全时程分析。

钢筋混凝土底框架结构框架中柱耐火性能试验研究

底框架结构因其自身特点耐火性较差,可能在火灾中发生倒塌。为正确评估该类结构的耐火性能,以木方为燃料进行6栋建筑火灾试验。结果表明:①与钢筋混凝土全框架相比,底框架结构耐火性差,当下部商业用房存在较多可燃物,人为干预火灾失效时倒塌可能性较大。②钢筋混凝土构件在火灾中的热膨胀变形较大,混凝土的后期强度对耐火性能影响也很大,评估或预测该类结构的耐火性能时必须考虑温度内力和混凝土的后期强度。③混凝土龄期在1年半以上,立方体强度不超过50MPa时,火灾中一般不会发生爆裂。④建筑物竖向变形和中柱裂缝可作为中柱失效的预兆:在火灾轰燃后60m in以上,当建筑物竖向变形在10m in内压缩均值达到2mm;当四面受火柱的混凝土本体在其截面宽度(或高度)中间部位发生竖向裂缝,尤其是形成较长或较宽裂缝,或某处出现较密集裂缝时。建议:当下部商用房间火灾荷载较大时,采用增大截面尺寸的方式适当降低轴压比。

轴心受压约束钢柱的温度应力函数

为在火灾时准确评估轴心受压钢构件的温度应力,利用236根约束钢柱的温度应力试验数据,建立了轴心受压钢构件关于轴向约束刚度、长细比、初应力和温升4个参数的温度应力函数,其计算公式与共计32 997个实测温度应力数值点的平均相对误差为5.6%。如果将该温度应力函数嵌入钢结构分析程序,可以方便、准确地计算受轴向约束轴心受压钢构件的温度应力。

Q345(16Mn)钢在恒温加载条件下的应力-应变曲线和弹性模量

为评估和分析钢结构的耐火性能,对我国10个钢厂生产的16Mn钢进行152次恒温加载试验研究。结果表明,钢材的应力-应变曲线随温度升高,应力变小而应变增大,曲线斜率即弹性模量随温度升高和应变增大而趋于零。钢材在高温下的弹塑性性质非常明显,在钢结构高温性能分析中应当考虑这种特性。依据试验结果构建了以表格形式表达的钢材折线应力-应变曲线和弹性模量,为火灾下钢结构的变形和温度应力计算提供参考。

底框架结构的耐火极限数值分析

由热平衡理论建立室内平均温度-时间关系计算模型;以传热学理论建立混凝土梁、柱截面温度场计算模型;以混凝土结构耐火理论建立框架中柱的高温承载力计算模型;以弹性理论建立柱子的温度轴力计算模型;以四面受火中柱(轴心受压)达到承载能力极限状态的时间作为底框架商住楼在火灾中的倒塌时间。结果表明,我国仅有的2个倒塌案例和4次火灾试验结果与数值计算平均误差为5%;数值计算中采用实际温度-时间关系作为火作用,混凝土强度采用在温度和初应力作用下的抗压强度并考虑柱子的温度轴力更为合理。

强约束轴心受压钢管柱耐火性能试验研究

为正确评估强约束钢管柱的耐火性能,利用自行研制的杆系结构构件温度轴力测量装置,采用恒载升温试验方法,设5级初应力水平,6种长细比,对30根Q345钢管柱进行试验研究,揭示轴心受压钢管柱在强约束下的耐火性能。试验结果表明:强约束钢管柱在温升作用下的温度应力相当大,对钢管柱破坏有决定性作用,在耐火设计与评估中必须考虑。钢管柱在高温作用下,破坏前其弹塑性性质较为明显。相同长细比的构件,在较高的初始应力水平作用下,极限承载力大、温度应力小、临界温度低;反之相反。在相同初应力水平下,长细比对强约束钢管柱的极限承载力和温度应力的影响并不敏感,但长细比大的试件为失稳破坏,破坏后变形很大;长细比较小的试件为强度破坏,破坏后变形较小。以试验数据为基础给出两端固定Q345钢管柱的下限临界温度回归计算公式,可用于火灾中约束刚度不变的钢结构耐火设计与评估。

轴向约束钢柱温度应力函数的应用

为了利用基于试验所建立的温度应力函数计算钢构件的温度应力,给出温度应力函数计算公式的应用方式:当火灾中约束刚度变化不大或刚度值较大时可直接应用;当约束刚度值较小或约束刚度值因火作用而下降幅度较大时,采取分段叠加法计算较好;当双向框架柱在两个方向的长细比相差较大时,可提出利用对称虚拟框架法计算温度应力。由于温度应力的分析路径与实际结构的热-力路径一致,计算的准确性明显提高。

底框架商住楼在火灾中倒塌时间预报方法及仪器

研究开发了钢筋混凝土底框架商住楼建筑物火灾现场竖向变形观测仪器,即时观测着火建筑框架柱竖向变形,预测底框架商住楼建筑物的倒塌时间。主要设备包括:高倍望远镜、数码照相机、笔记本电脑等。拍摄的图像经Matlab软件处理,以备倒塌预警程序调用。经电子应变仪试验验证,观测精度误差为0.8%。

国产Q345钢在不同热-力路径下的材料性能对比和材料模型应用

为评估和分析钢结构的耐火性能,以我国10个钢厂生产的Q345钢的424次恒载升温试验和152次恒温加载试验结果为依据,对钢材强度和应变以及不同的热-力作用路径下的力学性能进行对比研究。结果表明,在所有热-力作用路径下,恒载升温试验的强度最小,应变最大,临界温度最低;恒温加载试验的强度最大,应变最小,临界温度最高。随温度升高,热-力作用路径对钢材的力学性能影响增大:在450℃以下影响较小,在500℃以上时影响显著。如果规范采用恒温加载试验强度,是不可靠的。恒载升温条件下的ε-T-k材料模型和恒温加载条件下的ε-k-T材料模型均不能单独用于超静定钢结构的性能分析。超静定钢结构的性能分析可把火灾过程离散为若干时段,把每个时段分解为两个独立的应变-温度过程和应变-应力过程,分别应用恒载升温条件下的ε-T-k和恒温加载条件下的ε-k-T材料模型进行分析,然后迭加计算以得出最后的应变。

周边喷涂工字钢截面的防火涂料厚度分区计算

在CECS 200:2006防火涂料的厚度计算公式基础上,对工字钢上下翼缘与腹板进行分区,分别采用上下翼缘与腹板的截面系数,计算其防火涂料厚度。并以某钢梁为例,分别计算分区和不分区计算涂料厚度时钢梁各分区温度并进行比较。结果表明,采用分区计算防火涂料厚度,钢构件各部分截面温度呈较均匀分布,从而避免连接部位产生温度应力和腹板的率先破坏。

Q345低合金结构钢的高温强度试验研究

采用恒温加载试验方法对钢结构建筑常用的Q345低合金结构钢的高温强度进行试验研究,采用切线交点法确定钢材有效屈服强度,并与其它方法强度取值进行对比,给出钢材高温强度回归公式,为钢结构建筑的抗火分析提供依据。

负压吸附式液化石油气储罐堵漏阀的研制

针对液化石油气储罐泄漏危害大、堵漏难等问题,研制了一种用于易燃易爆物品特别是液化石油气储罐堵漏的新型设备。该装置具有重量轻、造价低、操作简单等优点。靠负压吸附力平衡外泄物压力,可堵较大面积的洞口或较长裂缝,2～5min即可完成堵漏,大大降低了操作人员的劳动强度,是目前管道系统中不可缺少的设备。

两端固定工字钢短柱的温度应力试验研究

对两端固定的工字钢短柱的温度应力进行试验研究,给出的温度应力估算公式与试验结果符合性较好。研究结果表明火灾中钢构件内力分析时,可把构件视为理想的弹塑性体;在弹性阶段,温度应力的增加只与温度相关,但初始应力的大小决定构件进入弹塑性阶段的温度(或时间);从构件进入弹塑性后期到某一截面形成塑性铰可经历较长的时间,为超静定钢结构在火灾条件下利用内力重分布提供了较大空间。

钢筋混凝土底框架商住楼耐火设计审核与火灾扑救

钢筋混凝土底框架商住楼建筑的下部火灾荷载和上部实际重力荷载均较大,在火灾中可能会引起倒塌。以某商住楼火灾倒塌事故为例,依据室内火灾发展规律和结构耐火理论,对此类建筑的耐火设计审核与火灾扑救战术提出建议。

钢筋混凝土十字形轴压柱耐火性能的数值模拟研究

采用计算机数值模拟方法研究了钢筋混凝土十字形轴压柱的耐火稳定性 .结果表明 ,十字形柱比矩形柱耐火性更差 ,建议在底框架结构中慎用 .

某底框架商住楼在火灾中倒塌原因数值分析

采用计算机数值模拟方法研究了某钢筋混凝土底框架商住楼柱子的耐火稳定性。结果表明 。

评估钢筋混凝土结构火灾后剩余承载力的当量时间

以室内火灾轰燃后的房间热平衡和热传导理论为基础,以混凝土柱火灾后的剩余承载力相等为原则,用计算机数值分析方法给出了当量时间,可方便地用于钢筋混凝土结构火灾后强度损伤的评估。

火焰厚度对钢筋混凝土柱耐火性能的影响

为正确评估火焰厚度对钢筋混凝土构件耐火性能的影响,以矩形截面四面受火柱为研究对象,以标准火为受火条件,采用数值分析方法研究构件表面和试验炉壁面温度,分析火焰厚度对构件耐火性能的影响。结果表明:炉壁温度略低于构件表面温度,不会向构件辐射传热;火焰厚度越大,构件温度越高,承载力越小,对硅骨料混凝土该现象尤为明显;因标准耐火试验炉炉腔尺寸较小,其试验结果可能过高地估计了构件的抗火能力,建议在耐火设计与评估中考虑实际火焰厚度对结构的影响。