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火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能影响的研究现状

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第13卷第4期2011年8月建 筑 钢 结 构 进 展Progress in Steel Buildin g Stru ctures Vo l.13N o.4 Aug.2011收稿日期:2010-06-04;收到修改稿日期:2010-08-23基金项目:土木工程防灾国家重点试验室开放课题基金(SL DRCE08-T S -02)作者简介:潘锦旭(1989-),男,硕士研究生,主要从事钢结构理论分析和设计方法研究。

E -mail:ying mou890904@ 。

张盛亚(1976-),男,学士,工程师,主要从事钢结构设计和施工方法研究。

火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能影响的研究现状潘锦旭1,2,张盛亚3,王培军1(1.山东大学土建与水利学院,济南 250061; 2.同济大学土木工程学院,上海 200092;3.兖矿集团东华建设有限公司三十七处,山东济宁 273500)摘 要: 本文介绍了火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能的研究进展和已有研究成果,包括钢柱截面非均匀温度分布产生的原因及截面温度非均匀分布对钢柱抗火性能的影响。

钢柱截面不均匀温度产生的原因有:钢柱受到建筑填充墙保护,非4面受火;钢柱仅部分截面采用防火保护;受洞口非均匀火灾影响的建筑外框架柱;钢柱防火保护层不均匀或局部破损等。

截面温度不均匀对钢柱抗火性能的影响包括:截面产生附加应力,使钢柱临界温度降低;钢柱截面不对称,发生弯扭破坏;钢柱产生热弯曲,以及破坏时可能出现的反向弯曲等。

并对需要进一步研究的问题给出了建议。

关键词: 非均匀受火;温度场分布;框架柱;抗火性能中图分类号:T U 352.5 文献标识码:A 文章编号:1671-9379(2011)04-0024-07Development of Research on Temperature Distribution of Non -Uniformly Heated Framed Steel Column in Fire and Its Influences on Fire -Resistant CapabilityPA N J in -x u1,2,ZH A N G S heng -y a 3,WA N G P ei -j un1(1.School of Civil Engineering,Shandong U niversity,Ji .nan 250061,China;2.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China; 3.Thirty -Seven Department of DonghuaConst ruct ion Co.Lt d.of Yankuang Group,Ji .ning 273500,China)PAN Jin -xu:yingm ou890904@A bstract: A literatur e review and main pr ogress on temperature distr ibution of non -uniformly heated framed steel co lumn ispresented.T he main focuses of the literature review are the temperatur e distribution of framed steel column in fir e,and its influences on the fir e -r esistant capability of steel columns.T he reasons of non -uniformly temperature distributions ar e as follows:fr amed steel colums are protected by partition walls;or steel colums are web -infilled or partly fire protected;ex ter ior steel frames heated by window fire;broken of fire protection lay er s.T he influences on fire -resistant are as following:additional thermal stress in the section decreases cr itical temperatur e;steel columns fail by lateral tor sional buckling;thermal bowing due to temper ature gr adient.T he key problems on fire -resistance design of steel columns with non -uniform temperature distribution needing further research are pointed out.Keyw ords : non -uniformly heated;temperature distribution;framed steel column;fire -resistant capability第4期火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能影响的研究现状1研究背景钢结构具有诸多优点,但钢材的物理及机械性能对高温很敏感。

结构钢的屈服强度和弹性模量随温度的升高而下降:温度为400e时,钢材的屈服强度下降一半,超过600e时,普通结构钢将丧失大部分强度和刚度[1]。

而实际火灾中,室内火场温度可以达到800e~1000e,如果钢结构建筑无防火措施,结构极易受到破坏。

1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾,造成钢柱、钢梁和楼盖桁架严重破坏[2];1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾,造成3600m2的库房倒塌[3];1996年江苏省昆山市某一轻钢结构厂房发生火灾,4320m2的厂房烧塌,1998年北京某家俱城失火,造成该钢结构建筑整体倒塌[4];2001年世贸大厦被飞机撞击后发生火灾,仅57min南楼就彻底崩溃倒塌,而北楼也仅坚持了1h22min,造成2797人死亡、损失360亿美元的惊世惨案[5]。

灾后的调查表明,火灾室内温度高达800e ~1400e,造成钢结构体系因高温作用而失效。

由此可见,对钢结构抗火性能的研究已经成为工程界迫切需要解决的问题。

框架柱是结构的重要受力构件,截面温度均匀分布钢柱火灾下的受力分析相对比较简单(采取传统的力学分析方法,并考虑高温下钢材弹性模量和屈服强度的折减即可)。

对截面温度非均匀分布的钢柱,截面上的温度梯度将导致钢柱产生热弯曲、附加应力等,其受力与截面温度均匀分布钢柱不同,这还有待进一步研究。

但目前对钢柱抗火性能的研究和设计方法大都基于截面温度均匀的条件[6-10]等。

在进行钢结构的抗火设计时,无论钢柱有几个面受火均假定钢柱截面温度均匀分布。

考虑截面温度不均匀的研究有Feng,Wang和Davis[11]等。

Feng等对冷弯薄壁钢柱在火灾升温情况下的受力性能[11]进行了大量的试验分析。

分析表明:破坏模式不会因为试件截面温度差异而发生变化。

由于冷弯薄壁构件的破坏模式一般为弯扭屈曲,对通常采用热轧截面的框架柱,截面温度不均匀的影响还需进一步分析。

2截面不均匀温度产生的原因目前对钢柱抗火性能的研究,大都假设钢柱截面温度是均匀分布。

但以下几种情况都有可能导致火灾下钢柱截面温度的非均匀分布:2.1钢柱受到建筑填充墙保护钢框架建筑一般采用框架填充墙体系,如图1所示(阴影框起来的是受火区域)。

由于填充墙的保护作用,在局部火灾下,钢框架柱可能仅3面、双面或单面受火,并非四面受火,各截面温度均匀升高,从而导致钢柱截面温度的非均匀分布。

图1局部火灾下的钢框架建筑Fig.1Steel framed bu ilding in partial fire国内的李明菲等对墙板对火灾下钢柱截面温度分布的影响[12]进行了相关研究,并与5建筑钢结构防火技术规程6[13](DG/T08-008-2000)中的均匀简化进行比较。

李明菲等采用常见的钢柱外侧与轻质墙板相连接形式作为研究对象,如图2所示。

墙板减缓钢柱升温,但导致钢柱截面温度不均匀。

采用A NSY S对带墙板钢柱外涂防火涂料时在ISO834标准升温曲线下的截面温度分布进行传热学有限元计算。

图3(图中取的是半边结构)为100mm厚ALC墙板影响下,20mm厚防火保护层下, 1.5h时钢柱半截面的温度分布。

由计算结果可以看出钢柱两侧翼缘温度分布都比较均匀,靠近墙板一侧翼缘(图中翼缘1)温度最低,另一侧温度最高,两翼缘温差将近100e,已经不能认为截面温度均匀分布;腹板温度变化较明显,从翼缘1到翼缘2温度逐渐升高,温度变化基本为线性;构件翼缘和腹板厚度方向温度基本相同,差异不大。

图2轻质混凝土墙板与钢柱连接示意图Fig.2Schematic of connection between steel colu mn and ALC(Autoclaved Lightweight Concrete)25建筑钢结构进展第13卷图3截面温度计算结果(e)Fig.3Schem atic of cross-section te mperaturedistribution from calcu lation(e)图4为有限元计算与5建筑钢结构防火技术规程6[13]计算结果的比较。

得到以下结论:对一侧连接墙板的钢柱,应用3面受火模型并考虑保护层吸热的影响计算钢柱截面平均温度较为精确;墙板混凝土的热工性能,钢柱的截面尺寸及保护层材料特性对钢柱截面的温度分布状况都会有不同程度的影响。

但是这只限于3面受火且是翼缘受保护,单面受火和双面受火仍需要进一步研究。

英国SCI和BS对有隔墙保护的钢柱在火灾下的升温规律进行了试验研究[14],试验方案如图5所示。

试验发现,温度沿钢柱截面分布极为不均匀,钢柱破坏时截面温差可达500e。

在钢柱受火初期,截面温度梯度使钢柱产生热弯曲即弯向温度高的一侧;但随着温度的升高,钢柱出现反向弯曲即弯向温度较低的一侧。

出现这一现象主要也是由于截面温度不均匀造成的。

图4有限元计算与5规程6计算结果的比较Fig.4Result com parison of finite element sim ulationand the standard calculation图5受隔墙保护钢柱的受火模型Fig.5Model of steel colum n protected by partition wall in fireFeng对冷弯薄壁钢结构住宅中轻钢墙柱抗火性能的试验研究[15]和Shepherd对采用部分防火保护钢柱的试验研究[16]均发现了这种反向热弯曲现象。

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钢结构的防火涂层不均匀性及其温度场分段处理研究的开题报告

钢结构的防火涂层不均匀性及其温度场分段处理研究的开题报告

钢结构的防火涂层不均匀性及其温度场分段处理研究的开题报告一、研究背景和意义钢结构是一种轻量化、高效益和可持续的构造体系，广泛应用于建筑和工业领域。

然而，在一场火灾中，钢结构的强度和稳定性可能会严重受损，给人们的生命和财产安全造成威胁。

因此，防火涂层的使用可以提高钢结构的防火性能，从而减小火灾对钢结构的破坏，保护人员的生命安全和财产安全。

但是，由于涂层的施工不易控制，在很多情况下，涂层的厚度和均匀性会受到影响，从而降低了涂层的防火性能。

因此，探究钢结构防火涂层不均匀性及其温度场分段处理方法，对提高钢结构的防火性能具有重要意义。

二、研究内容本文拟研究如下内容：1. 分析钢结构防火涂层不均匀性的影响因素，包括涂层的施工质量、涂层的厚度、涂层的品质和涂层的孔隙率等因素。

2. 基于有限元方法，建立钢结构在火灾中的温度场模型，并探究涂层不均匀性对钢结构温度场的影响。

3. 提出一种基于温度场分段处理的涂层不均匀性处理方法，通过将涂层分为若干段，并从不同角度进行分析和处理，提高防火效果。

4. 通过实验验证和模拟分析，评估分段处理方法的可行性和有效性，为进一步提高防火涂层施工质量提供理论指导。

三、研究方法本文将采用有限元分析方法，对钢结构在火灾中的温度场进行模拟分析，并以此为基础，进行涂层不均匀性的分析和处理。

具体方法如下：1. 基于ANSYS有限元分析软件，建立钢结构在火灾中的温度场模型，并确定模型的边界条件。

2. 在模型基础上，施加涂层不均匀性的影响，比较涂层均匀和不均匀情况下钢结构温度场变化规律。

3. 根据涂层的不均匀性和材料特性，将涂层分段，并进行温度场分析和处理。

4. 通过实验验证和模拟分析，评估分段处理方法的可行性和有效性。

四、研究进度安排本文的研究计划如下：1. 第一年：对钢结构在火灾中的温度场进行分析，并提出涂层不均匀性的影响因素和分析方法。

2. 第二年：针对涂层不均匀性问题，提出温度场分段处理方法，并进行理论研究。

钢结构在火灾下的温度场分析

钢结构在火灾下的温度场分析

钢结构在火灾下的温度场分析摘要：本文通过ANSYS对涂有不同厚度保护层的钢柱的热分析，显示出了不同时刻构件截面的温度分布云图及截面上特定位置上的节点随时间的温度变化曲线。

并对不同厚度保护层钢管的升温曲线及截面温度分布进行了对比。

得出了防火涂料在钢结构抗火中发挥了重要作用这一结论。

关键词：防火涂料；钢结构；温度；Abstract: The thermal analysis of the steel column coated with different thickness of pretective layers by ANSYS shows the temperature distribution picture of component cross-section in different time and thenode temperature variation curve along with time in the specific position of the cross-section. And a comparison between various thickness of protective layers in temperature rising curve and temperature distribution of the cross-section, obtaining that the fire-resistant coating plays an important role in the fire resistance of steel structure.Keywords: fire-resistant coating; steel structure; temperature中图法分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：9.11以来，人们对钢结构防火研究的兴趣日益高涨，因为钢材虽为非燃烧材料，可钢材不耐火，随着钢材温度的升高，其强度和刚度都迅速降低，温度为400 ℃时，钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半；温度达到600 ℃时，钢材的屈服强度和弹性模量降至为常温下的1/5，基本丧失了全部的强度和刚度。

钢结构梁柱火灾后残余承载力研究

钢结构梁柱火灾后残余承载力研究

钢结构梁柱火灾后残余承载力研究近年来，随着钢结构建筑在国内的广泛使用，钢结构梁柱火灾后残余承载力的研究也被越来越多的人所关注。

火灾是建筑结构长期使用过程中不可避免的一种事故，因此了解建筑在火灾后的残余承载力具有重要的现实意义。

钢结构梁柱火灾后残余承载力是指在火灾后，建筑结构仍然能够承受一定的荷载能力。

火灾对钢结构梁柱的影响主要体现在三个方面：一是热辐射，导致梁柱温度升高；二是热膨胀，使得梁柱出现变形；三是热软化，导致梁柱材料的力学特性发生改变。

目前，国内外学者对钢结构梁柱火灾后的残余承载力进行了广泛的研究。

这些研究成果对改进建筑结构设计和提高建筑安全性具有重要的参考价值。

一、火灾后的残余承载力机理研究研究表明，火灾后钢结构梁柱的残余承载力是由多种因素共同作用形成的。

其中，火灾温度对梁柱的残余承载力影响最为明显。

火灾温度的高低直接决定了钢材的力学特性。

在高温下，钢材容易软化，力学性能大幅度下降。

因此，梁柱在火灾后的变形和破坏也与温度密切相关。

除了温度的影响外，火灾对梁柱的残余承载力还会通过其他途径产生作用，如热应力和热膨胀等。

二、钢结构梁柱火灾后残余承载力的试验研究为了进一步探究钢结构梁柱火灾后残余承载力的特性和机理，国内外学者进行了一系列的试验研究。

试验研究表明，在不同火灾温度下，钢结构梁柱的残余承载力变化特性不同。

当火灾温度较低时，钢结构梁柱的残余承载力能力基本没有受到影响；当火灾温度超过500℃时，钢结构梁柱的残余承载能力迅速下降，并出现失稳破坏现象。

此外，研究还表明，保护措施对提高钢结构梁柱的残余承载力具有重要的作用。

常见的保护措施包括防火涂料、防火隔板、防火保护层等。

这些保护措施能够减缓钢材的温度升高速度，从而延缓建筑在火灾后的失稳破坏。

三、未来研究方向尽管钢结构梁柱火灾后残余承载力的研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些待解决的问题。

首先，钢结构梁柱火灾后残余承载力的试验研究需要进行更加系统和深入的探究。

钢铁管状立柱的防爆火性能研究与设计

钢铁管状立柱的防爆火性能研究与设计

钢铁管状立柱的防爆火性能研究与设计概述随着城市化进程的加快和建筑工程的不断发展，防火安全成为了越来越重要的问题。

钢铁管状立柱作为建筑结构中的关键组件之一，在火灾情况下的防爆火性能成为了设计和研究的重点。

本文旨在探讨钢铁管状立柱的防爆火性能研究与设计的相关内容。

1. 钢铁管状立柱在火灾情况下的失效机制在火灾发生时，钢铁管状立柱会面临高温和火焰的侵袭。

这种高温环境下，钢材的力学性能会发生剧烈变化，包括强度、刚度和变形能力。

同时，钢材的热膨胀特性也会导致构件的变形和破坏。

除此之外，热辐射和冷却阻力对材料的热传导和冷却速率也会产生重要的影响。

因此，钢铁管状立柱在火灾情况下的失效机制主要包括热变形、热膨胀和冷却阻力。

2. 钢铁管状立柱的抗火设计方法为了提高钢铁管状立柱的防爆火性能，设计师可以采取一系列的抗火设计方法。

首先，正确选择合适的钢材品种是至关重要的。

耐火性能好的耐火钢材可以承受高温环境下的力学负荷，并且具有较低的热膨胀率。

其次，应采用合适的结构布置和尺寸设计。

合理的结构布置能够减小局部热应力的集中，从而增强立柱的整体抗火性能。

此外，适当增加立柱的截面积和壁厚，可以提高其抗火性能。

最后，加装各类防火涂料、防火胶带和防火隔热层等防火措施也是有效的方法之一。

3. 钢铁管状立柱的防火性能测试为了评估钢铁管状立柱在火灾情况下的防爆火性能，需要进行相关的防火性能测试。

常用的测试方法包括耐火试验、温度场测量和热膨胀特性测试。

耐火试验可以模拟真实火灾条件下的高温环境对立柱的影响，通过观察参试样品的变形、破坏和残余强度等参数来评估其抗火性能。

温度场测量可以使用热像仪等装置来实时监测和记录立柱表面的温度变化，从而了解立柱在火灾情况下的热分布情况。

热膨胀特性测试则可以通过测量立柱在不同温度下的线膨胀系数和体积膨胀系数来评估其热膨胀性能。

4. 钢铁管状立柱的防爆火设计案例为了更好地理解钢铁管状立柱的防爆火设计，以下将介绍一个钢结构建筑项目中的设计案例。