室内火灾下钢结构构件的热响应研究

摘要

建筑火灾是最常见、最危险的火灾类型。随着钢结构建筑在建筑工程中发挥着日益重要的作用，其防火问题更是一个不可回避的问题。相对于钢筋混凝土结构，钢结构在高温下，其强度和刚度都将迅速降低，承载力也随之降低，使得钢结构在较短时间内达到极限状态以至破坏。所以，钢结构的防火研究显得尤为重要。 本课题在分析火源与钢结构构件传热关系的基础上，进行了高温与钢结构构件之间的作用关系和构件热响应的分析，讨论了钢结构构件抗火特性及保护措施对其的影响。 本课题主要内容： 1.根据传热学原理，分析了室内火灾条件下火源与构件之间的辐射传热关系，讨论了构件边界对流换热条件以及确定了构件内部的导热模型。 2.使用电阻炉对钢管构件置于水平位置及在不同条件下的热响应情况进行了试验研究。在外涂厚度为18mmSWH室外厚型钢结构防火涂料的情况下，构件最高温度与裸钢管最高温度的比值小于50﹪，该涂料可将钢管的耐火时间延长到两小时以上。钢管在外涂防火涂料的同时内填混凝土能使它的耐火性能进一步提高，最高温度在120分钟左右仅为280℃，完全能保证建筑在火灾中的安全性。 3.迄今为止，国内外对非膨胀型无机防火涂料的防火机理研究较少。本课题尝试性地对SWH室外厚型钢结构防火涂料在高温试验的基础上进行了热重分析，结果表明：在200℃～400℃期间，SWH室外厚型钢结构防火涂料的阻热性能减弱。 4.通过有限元软件ANSYS对钢结构构件的热响应进行数值模拟计算。讨论了钢结构构件热工参数的非线性与线性、钢管构件截面形状以及壁厚对其热响应的影响：考虑材料的非线性热工参数时，总体上节点温度要比没有考虑材料的非线性热工性能时低，且两者的温度差还会随着构件受热的进行而增大；圆钢管构件的耐火性能要比方钢管构件稍差，更需要适当防火保护；随着钢构件壁厚的增大，相同时刻相同节点的温度呈升高趋势。 5.对数值模拟和试验中钢结构构件测温点的温度值进行比较，数值模拟计算结果与试验数据的平均相对误差为9.23﹪，计算结果与实测值吻合较好。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1建筑火灾

1.1.1建筑防火

1.1.2钢结构建筑防火的重要性

1.2钢结构的抗火设计

1.2.1基于试验的构件抗火设计方法

1.2.2基于计算的构件抗火设计方法

1.2.3钢管混凝土的耐火特性

1.3钢结构防火的方法

1.3.1钢结构防火涂料保护

1.3.2厚涂型钢结构防火涂料

1.4钢结构构件的热响应分析现状

1.5本课题研究的内容和意义

2钢构件的传热分析

2.1钢构件的导热微分方程及定解条件

2.2导热微分方程的解法

2.3有限元分析

2.3.1构件单元划分和温度场离散

2.3.2温度场的总体合成

2.4钢结构构件有限元分析的研究现状

2.5 ANSYS在构件的有限元分析中的运用

2.5.1 ANSYS软件的功能

2.5.2 ANSYS软件的组成

2.5.3 ANSYS软件的特点

2.6ANSYS热分析的基本理论

2.6.1导热换热

2.6.2对流换热

2.6.3辐射换热

2.6.4 ANSYS瞬态热分析

2.7火灾现场升温曲线关系的研究

2.8钢材、混凝土的热物理性能参数

2.8.1钢材的热物理性能参数

2.8.2混凝土的热物理性能参数

3钢构件热响应的试验研究

3.1试验概况

3.1.1试验装置

3.1.2试验温度测量及数采系统

3.2试验方法

3.3试验结果与分析

3.3.1裸钢管的情况

3.3.2钢管内填混凝土的情况

3.3.3钢管外涂18mm厚型防火涂料的情况

3.3.4钢管内填混凝土同时外涂防火涂料的情况

3.4钢构件热响应试验分析的小结

3.5 SWH室外厚型钢结构防火涂料的热解分析

3.5.1试验设备及过程

3.5.2试验结果和分析

3.5.3小结

4钢构件热响应的数值模拟计算

4.1数值计算过程与结果分析

4.1.1非线性有限元分析的基本约定及单元的选取

4.1.2加载

4.1.3数值计算结果分析

4.2数值模拟计算结果误差分析

4.3小结

5试验数据和数值模拟数据的比较分析

5.1裸钢管时的比较分析

5.2钢管内填混凝土时的比较分析

5.3钢管外涂厚型防火涂料时的比较分析

5.4钢管内填混凝土同时外涂厚型防火涂料时的比较分析

5.5小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录