虚拟仿真技术在钢结构抗火实验教学的应用

频发的火灾造成的巨大生命和经济损失提升了人们对建筑抗火性能的要求。但是结构抗火实验具有规模大、成本高、不可触及等特点,因此很难在高校开展相关的结构抗火试验。为了适应土木工程行业发展的需要,培养具有较强创新能力的后备人才,开发了建筑钢结构抗火模拟仿真实验平台,利用计算机技术开展结构抗火仿真实验。教学实践表明,该虚拟仿真实验平台能够摆脱时间和空间的限制,让学生们建立对钢结构建筑在火灾下破坏过程和破坏机理的直观印象,学习抗火实验的步骤、仪器和操作方法等知识,取得了良好的教学效果。

考虑约束作用的混凝土柱耐火试验加载方式研究

为找到一种在构件耐火试验中能有效考虑整体结构对受火构件约束作用的加载方式,建立了2层2跨的钢筋混凝土框架和受火单柱的有限元模型,对比分析荷载比为0.2、0.4和0.6时,恒载、变位移加载、变力加载和交互加载方式下受火单柱与整体结构的内力、变形和耐火极限的差异。研究结果表明:恒载单柱不能准确反映整体结构受火柱的变形、轴力和耐火极限;变位移加载和变力加载在荷载比为0.2时能较好考虑整体结构中的约束作用,在荷载比为0.4和0.6时误差增大也不能准确反映整体结构的抗火性能;交互加载的相对误差随荷载比增大而增大,且最大误差小于20%。恒载、变位移加载、变力加载和交互加载中,交互加载可以较好考虑整体结构中的约束作用,近似达到整体结构试验的效果。

基于整体的大空间钢结构性能化防火设计方法研究

大尺度空间钢结构建筑的飞速发展为结构抗火设计带来了新的挑战。在分析现有规范和性能化结构抗火设计不足的基础上,基于性能化设计的思想,综合多学科知识和研究成果,采用火灾模拟计算和结构分析耦合集成的技术方法,建立基于整体的大空间钢结构性能化抗火设计方法,给出具体流程,最后通过工程实例说明该方法的实际应用。研究表明,对于大空间结构而言,传统抗火分析方法与真实火灾下的结构特性存在较大的差异,且火灾温度场的非均匀性对结构体系的抗火性能有着重要的影响。本课题的研究在理论分析的基础上为大型钢结构建筑性能化结构抗火设计和分析提出了系统化技术流程,可为我国大空间结构的抗火设计提供有益参考,具有广阔应用前景。

结构抗火研究进展与趋势

火灾高温对结构材性有显著影响,因此火灾极易造成结构损伤、破坏甚至倒塌。随着建筑事业的发展和建设水平的提高,如何合理进行结构的抗火设计正越来越受到学术界和工程界的关注。本文简要回顾了结构抗火研究历史,论述了近年来结构抗火研究的主要进展,指出了结构抗火研究尚存在的问题,对结构抗火研究趋势进行了展望,并提出了目前抗火研究尚需解决的关键科学问题。

大空间钢网架结构的性能化抗火分析

大空间钢网架结构常被用于人员密集场所的建筑屋盖。运用FDS火灾模拟软件对某工业厂房进行了火灾模拟,得到火灾发生发展的时间-温度曲线。运用ANSYS有限元软件对网架结构在不同位置发生的火灾进行了热-力耦合的位移和内力分析,为该类型结构的抗火设计和灭火救援提供一定的参考依据。

自然火灾中钢结构构件温度场模拟

在既有一榀框架受火实验的基础上,建立了该实验框架的精确有限元模型。通过与试验结果对比,获得了较好的温度场模拟结果。从结构抗火设计实际需要的角度出发,探究不同火灾发展因素对构件升温的影响,使用ABAQUS模拟多种参数化火灾模型下构件温度场分布。研究表明:有限元软件ABAQUS能够获得较精确的温度场分布;考虑多种随机性参数更有利于钢结构抗火工程。

阳极焙烧炉火道结构优化

对阳极焙烧炉的火道结构进行了优化模拟计算 .分析了两种结构优化方案的可行性 ,并得出综合优化方案 .研究表明 ,适当调整挡板的位置可以改善气流的分布 .结果显示 ,综合优化方案对改善阳极焙烧炉的燃烧条件有着显著效果 .数值模拟的方法为阳极焙烧炉结构和运行参数的优化提供了较准确、快速和经济的研究手段 .

大空间钢网架结构的性能化抗火分析

大空间钢网架结构常作为人员密集场所建筑的屋盖,火灾下一旦发生坍塌,将可能造成重大人员伤亡和财产损失,因此对其抗火性能有必要深入研究。本文运用FDS(Fire Dynamics Simulator)火灾模拟软件对某工业厂房进行火灾模拟,得到火灾发生发展的时间—温度曲线。在此基础上,运用ANSYS有限元软件对火灾下网架结构的不同位置进行了热—力耦合的位移和内力分析。结果表明,采用计算机模拟得到的升温曲线,要比一概采用ISO834标准求得的升温曲线更符合实际情况;火灾发生在中间位置更为不利,必须采取防火保护措施;火灾下结构会发生内力重分配,但距离火源越远处的杆件内力和位移变化越小。本文结论可供该类型结构的抗火设计和灭火救援参考。

整体结构混合火灾试验原理及数值仿真分析

火灾下建筑结构的力学分析分为2个层次:1受火作用的结构基本构件的力学分析,如受火梁、柱、楼板分析;2受火构件力学状态的变化对整体结构影响的力学分析,如火灾下建筑结构的连续性倒塌分析。为考察整体结构在火灾下的力学反应,Mostafaei提出了混合火灾试验方法,即对原结构部分构件进行耐火试验,剩余子结构则采用数值分析。通过构件火灾试验与子结构数值模型间的数据交互反馈,模拟整体结构火灾下的力学反应,进而避免直接进行大型结构整体火灾试验。理论上,如果受火构件与无该构件的子结构模型,在任意火灾时刻时的内力、位移均相等,则该结果与整体结构实际火灾下的反应相同。但实际上,由于无法保持任意时刻受火构件与子结构模型的荷载、位移一致,混合火灾试验简化为每间隔时间Δt或温度ΔT对这些参量进行一次同步。给出了构件试验和子结构数值模型间的数据交换路径,并以基本构件的数值试验代替真实火灾试验,通过混合火灾数值试验与子结构模型的交互分析结果,验证了混合火灾试验方法的准确性。

基于OpenSees的火灾下钢结构连续性倒塌分析

主要研究了火灾下平面钢框架的连续性倒塌模式和机制。应用OpenSees软件,对某5跨8层平面钢框架结构模型进行数值分析,研究了荷载比、梁柱刚度比和火灾场景对结构倒塌模式的影响。结果表明,随着荷载比的增大,结构倒塌模式由侧向倾倒式倒塌变为整体下沉式倒塌;当梁柱刚度比较小时,由于梁的悬链性效应,使结构发生偏向受火开间的侧向位移直至倒塌(弱梁机制),当梁的刚度比较大时,破坏首先发生在框架底层柱,结构呈整体下沉式倒塌(强梁机制);火灾中水平和竖向分布易分别引起结构局部和整体的倒塌。

结构抗火混合试验方法的研究进展

基于构件标准试验的抗火试验方法很难考虑非受火构件对受火构件的约束效应,也难以反映受火构件对整体结构抗火性能的影响,而正在兴起的抗火混合试验方法是解决上述问题的一条重要途径。本文首先简述传统结构抗火试验方法及其面临的问题,进一步阐述了抗震混合试验与抗火混合试验的关系,然后从试验流程原理、典型试验装置及对应力学边界条件、试验子结构选取与数据交换、不同试验方法的结果对比等方面较为系统地介绍了第一代抗火混合试验,并简要介绍了正在进行中的第二代抗火混合试验系统及其特点,最后总结了抗火混合试验中有待进一步深入研究的几个关键科学问题。

大跨度建筑钢结构抗火性能研究进展与趋势

大跨度建筑空间大,火灾升温区别于小室火灾。大跨度建筑钢结构体系不同于多高层梁柱框架钢结构体系,其火灾下力学响应更加复杂。如何科学地评价大跨度建筑钢结构,特别是空间杆系钢结构和预应力张拉钢结构的抗火性能,受到了科研和工程技术人员越来越多的关注。简要回顾了大跨度建筑钢结构抗火的研究历程,论述了近年来大跨度建筑钢结构抗火研究的主要进展,并对大跨度建筑钢结构抗火研究提出展望。

上海南站钢屋盖结构性能化抗火安全评估

上海铁路南站是上海市重要的对外交通枢纽和市内换乘枢纽。由于站台和大厅采用超大空间的建筑布局,超出了国内现有建筑防火设计规范的规定。特别对于南站钢屋盖这样重要的钢结构,国内现有规范方法难以满足抗火安全性与经济性要求。本文基于性能化对南站钢结构屋盖的抗火安全性进行了评估。在评估分析中首先确定结构抗火性能目标,然后对钢屋盖结构在可能最不利火灾下的性能进行分析,最后根据结构的受火性能是否满足抗火性能目标来评估结构的抗火安全性及需要采取的防火保护措施。本文结果被业主和消防主管部门采纳,可供类似工程的结构抗火设计参考。

新建昆明国际机场航站楼屋顶网架结构的抗火研究与设计

基于性能化方法对新建昆明国际机场航站楼屋顶网架结构进行了结构抗火设计。对大型网架结构整体抗火设计问题进行了探讨。推荐了一种钢结构抗火性能化设计的设计流程。介绍了抗火性能化设计中高大空间火灾下钢构件升温的实用计算公式。讨论大型网架结构抗火整体分析中的温度加载模型。推荐了适用于钢结构抗火整体分析中的荷载组合方法。

结构抗火试验室通风状况的数值模拟及分析

利用Fluent软件对结构抗火试验室内的气流组织进行了模拟,分析了影响试验室内污染物分布的因素,结合实测对模拟结果进行了验证。提出了不同的通风改造方案,并在数值模拟的基础上优选出最终方案,以改善试验室人员的工作环境。

顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护及关键参数研究

依托江阴靖江长江隧道开展了盾构衬砌管片抗火性能数值模拟及烟道板耐火性能试验,提出了一种新的顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护策略。建议行车道层管片采用防火材料进行防护,烟道层拱顶部位管片采用混凝土内衬进行通长保护,烟道板不需进行防火保护。盾构管片模拟结果表明,当管片防火保护层等效热阻大于0.10℃∙m2/W时,管片耐火极限大于2.0 h;烟道板耐火性能试验表明,无防火保护烟道板构件在RABT升温曲线作用下,跨中挠度小于允许极限挠度,耐火极限大于2.0 h。模拟和试验结果表明,这种顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护策略安全可行。

火灾模型对钢交错桁架结构性能化抗火设计的适用性分析

对目前性能化防火设计中常用的4种火灾作用模型进行了分析和总结,并运用这4种模型对钢结构交错桁架在火灾时的热环境进行了模拟,分析不同火灾作用模型下该体系的结构响应,研究不同火灾作用模型对交错桁架结构性能化抗火设计的适用性。研究表明:火源功率、火灾载及火灾持续时间等因素对钢结构交错桁架的抗火分析具有重要影响。国际标准升温曲线和参数化室内升温曲线不考虑火源功率、建筑通风口等因素,缺乏针对性,分析结果偏于保守;区域模型所得温度偏低,不宜用于交错桁架结构的性能化抗火设计;场模型考虑了火源功率及环境温度分布的不均匀性,和实际火灾较接近,计算结果相对较为准确,可用于结构的性能化防火设计。

火场-结构联合分析简化模型及其应用研究

为在建筑结构火灾反应分析中考虑实际火场特性,并简化火场分析模型与结构有限元分析模型之间的复杂对应关系,提出并建立了火场温度及对流辐射边界的热传导分析时空模型(STM)和基于时空模型的火场-结构联合分析方法.该方法根据火场模型计算出室内火场温度分布场以及对流辐射边界场离散数据,通过双向正交多项式进行拟合来得到不同时刻的构件边界连续时空模型,再通过时空模型进行热传导分析和热力耦合分析,从而实现火场-结构联合分析方法.在验证其合理性的基础上,通过ABAQUS子程序UTEMP和DFLUX实现其分析过程,并进行了北京某档案馆工程的应用分析,结果表明该方法可以较好地联合火场模拟与结构分析用于结构火灾安全评价.

薄壁U型钢混凝土梁火灾-结构耦合的ANSYS分析

采用在空间上运用有限单元法与在时间上运用有限差分法相结合的方法,建立组合梁的火-结构耦合ANSYS分析模型;编制组合梁ANSYS热分析程序和全过程受火非线性分析程序,对组合梁在国际标准ISO834规定的标准火灾的温度场和挠度-时间曲线进行分析和计算.数值计算结果表明:在国际标准ISO 834规定的标准火灾下,试验梁测点的温度与ANSYS理论计算结果高度吻合,试验梁位移-受火时间曲线与理论计算结果符合良好.

钢结构防火

钢结构的防火是钢结构建筑主要存在的安全问题 ,通过对钢结构防火原理的介绍探讨钢结构防火的方法、措施。从结构设计和建筑技术的角度出发 ,分别探讨了相关的钢结构防火问题。