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火灾下钢结构的结构反应分析

及研究与应用现状

姓名：邓 皓 烛 学号：16 3 0 5 3 1 班级：建工系1班 培养层次：专业硕士

高等钢结构理论邓皓烛1630531

引言

钢结构与其它结构形式相比，有着强度高、自重轻、空间大、灵活性好等明显的优势，因此广泛地应用于各种基础的建设。但相对于钢筋混凝土结构和混合结构等耐火结构，钢结构的耐火性能极差，其材料特性在火灾环境下，随着温度的升高而迅速降低。这种致命的缺陷大大影响了钢结构使用的安全性，在很大程度上阻碍了钢结构在实际工程中进一步的推广应用。因此本文针对钢结构在火灾下的结构反应特点进行分析。

一．火灾下钢结构的反应分析

结构钢材在高温下的性能通常分为两类：热物理性能和力学性能。钢结构抗火设计的物理性能主要指标有：热膨胀系数、密度、比热及导热系数；力学性能指标主要有弹性模量、屈服强度、极限强度等。这些指标一般是随着钢材的温度变化而变化的，特别是材料的力学性能指标对温度的敏感性更大，因此高温环境下的钢结构，其承载和变形能力都将发生显著变化，甚至达到极限状态而导致结构的破坏。

1.1 高温下钢结构热物理特性

（1）高温下的结构钢材的热膨胀系数δs

钢材在温度作用下会产生膨胀变形，其膨胀率与温度基本成正比关系，但是当钢材的温度达到其晶格结构转化点温度时，随着加热或冷却的温度变化，热膨胀将显示非常明显的断层现象。

（2）高温下结构钢材的导热系数λs

导热系数是指单位温度梯度下通过等温面上单位面积的热流速度。它是反应材料导热难易程度的热物理量。一般地说，结构钢材的导热系数随温度的升高而递减，但是当温度达到一定程度时，导热系数基本变成了常数。

（3）高温下结构钢材的比热系数

比热系数是指单位质量的物质升高或者降低单位温度所吸收或放出的热量。结构钢材的比热系数随温度的升高也会递减，但是降低幅度不大。当结构钢材在火灾中温度达到一定程度时，结构钢材的晶格结构将发生变化，比热系数受到较大的影响。

1.2 结构钢材在高温下的力学特性

钢材的强度和变形性能都随着温度的升高而发生急剧的变化，影响这种变化的因素很多，包括钢材的种类、荷载水平、升温速率、高温蠕变等。

（1）高温下结构钢材的屈服强度

高等钢结构理论邓皓烛1630531

已有的大量钢材抗火试验结果表明：当温度在150oC以下时，这种下降的趋势不大，当温度在250oC左右时，钢材的屈服强度反而有较大提高，此时钢材的抗拉强度达到最大值，钢材在此温度范围内破坏时呈现脆性破坏特征，表现出“蓝脆”现象，当温度超过300oC时，钢材的屈服强度、极限强度及弹性模量开始显著下降；温度超过400oC时，强度和弹性模量都开始急剧降低；温度超过600oC时，钢材屈服强度急剧下降，结构已经发生破坏。

（2）高温下钢结构的应力应变关系

大量资料表明，当结构钢的温度在250oC以下时，钢的弹性模量和强度变化不大；当温度超过250oC时，即发生所谓的“塑性流动”，超过300oC后，应力-应变关系就没有明显的屈服极限和屈服平台，强度和弹性模量明显减少。

二．国内外结构抗火设计研究成果及现状

目前对于钢结构的抗火性能理论研究，大部分工作集中在用数值方法模拟火灾下钢结构，大多为钢框架结构的结构反应，其实质问题是结构非线性反应分析问题，近期主要利用成熟的商业有限元软件如ANSYS、ABAQUS等进行数值模拟。由于钢结构抗火分析计算量非常大， 对分析结果数据的整理和分析任务艰巨， 因此如何对整体结构的抗火性能进行数值模拟还是值得研究的问题。

国内外均进行了钢结构的抗火试验研究，试验对象包括梁、柱组合次结构，平面钢框架模型、足尺空间钢框架结构。早期比较有影响的试验是德国的Rubert和P.Schaumann进行的一系列平面钢框架和梁柱组合次结构模型试验， 国内同济大学曾进行平面钢框架模型抗火试验。英国的BRE和澳大利亚曾经进行过足尺模型的钢结构抗火性能试验研究，对结构抗火研究和设计具有深远的意义。

三．钢结构抗火研究现存问题及发展趋势

在国外，钢结构已经广泛应用于各种工程技术领域；在国内，高层建筑钢结构和大跨度结构的发展也预示着钢结构将是未来结构发展的主要方向。火灾产生的高温对钢结构的强度、刚度等有很大的影响，如何有效地进行钢结构的抗火设计是很有必要的。由于对钢结构或钢构件的抗火性能进行试验非常复杂且昂贵，因此，在一定的试验数据基础上开发数值模拟软件，对钢结构在火灾中的反应进行数值模拟，具有重要的意义，它是性能化防火设计的关键所在.钢结构抗火设计的传统方法存在一些缺陷，构件耐火时间不能完全代表真实情况下结构的耐火时间，在大空间建筑的局部火灾中可能出现过于保守而使材料浪费的情况.基于性能计算的钢结构分析方法可以用来根据实际情况更好地选择经济有效的防火保护方法。通过设置合理的火灾场景，研究整体结构的火灾响应特性，通过模拟计算分析，可以确定合理的防火保护措施，如适当的保护面积和涂层厚度.对可