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。

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。

基于约束子结构柱的整体框架多尺度抗火混合模拟

鉴于传统构件抗火试验无法反映周围构件的约束作用,而整体结构火灾试验成本高、通用性差、对设备要求较高等缺点,抗火混合试验则可以兼顾上述2种方法的优点,力求与整体结构火灾试验结果保持一致。本文以四层四跨平面混凝土框架为研究对象,将边界条件简化,采用数值方式模拟试验子结构柱,基于ABAQUS分别建立多尺度框架、传统受火柱模型和混合模拟模型,试验子结构分别为约束中柱和边柱,同时将分割界面延伸至上层柱中点及两侧梁反弯点,更好地反映试验子结构的约束条件。比较了3种模型的局部受火柱柱顶的高温力学性能等,结果表明:传统受火柱模型耐火极限相对偏低,对于构件抗火设计偏于保守;混合模拟模型与多尺度框架的耐火极限相对偏高,耐火极限结果更为精确;2种模型局部受火柱的温度、轴力、轴向变形和侧向变形等曲线均较为相似,证实混合模拟模型能够达到与多尺度框架同样的精度,从而证实了抗火混合试验用于抗火性能分析的可行性。

一种采用可控复合技术的新型升温炉

在普通电加热炉的基础上,通过配备液化燃烧器加热装置,开发了一种可同时实施自动控制电加热和燃气加热复合升温的新型装配式试验炉。试验测试表明,该新型复合式升温方法能够很好地模拟ISO-834标准升(降)温曲线,同时具有电炉安全可靠、测控精度高、操作简便、无污染,以及液化气火焰升温快、容易控制并可真实模拟火灾的优点,因而具有良好的试验效果和经济效果,是一种实用的结构抗火试验设施。

钢框架结构抗火混合试验基本原理及数值模拟

为了研究火灾下整体结构的力学性能,采用抗火混合试验方法仅取局部受火部位进行抗火试验,其余部分通过边界条件进行交互,不仅能考虑火灾下建筑结构的整体作用,而且极大地减小了试验规模,同时依旧保证较好的精度。采用ABAQUS有限元软件建立三层四跨钢框架模型,取单柱作为局部受火子结构模型,进行整体结构的抗火混合试验数值模拟。结果表明:抗火混合试验子结构与整体结构受火柱的温度、轴力、侧向挠度变化基本一致,而柱顶轴向变形仅在后期失稳阶段出现部分偏差,体现了抗火混合试验的准确性和经济性。

火灾后混合配筋混凝土梁抗弯试验研究

根据6根试验梁的耐火极限时间和火灾后试验梁的变化情况,选取未破坏的1根钢筋混凝土梁及2根混合配筋混凝土梁进行火灾后的静力加载试验,研究了火灾后钢筋混凝土梁和混合配筋混凝土梁的抗弯能力,讨论了钢筋-GFRP筋配筋比和荷载对混合配筋混凝土梁性能的影响,试验结果表明:1)火灾后混合配筋混凝土梁中GFRP筋的强度损失殆尽,钢筋的力学性能可以有一定程度的恢复,火灾后钢筋混凝土梁的力学性能恢复情况要优于混合配筋混凝土梁。2)纵筋中钢筋与GFRP筋的配筋比是影响混合配筋混凝土梁剩余承载能力的主要因素,钢筋与GFRP筋的配筋比越大,火灾后混合配筋混凝土梁的力学性能恢复越好。基于试验现象和理论分析,建议了火灾后混合配筋混凝土梁剩余抗弯能力计算方法,计算结果与试验结果吻合较好,可以用于工程计算。