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火灾爆炸作用下轻钢框架结构连续倒塌机理分析

作　者: 齐宝欣
导　师: 阎石
学　校: 大连理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 火灾爆炸作用轻钢框架结构损伤评估方法 P-I曲线轻钢柱损伤指标D 破坏模式连续倒塌防护措施
分类号: TU392.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近十年来,国内外火灾和爆炸事件时有发生。一方面,工业发展迅速提升,由化工易燃易爆物导致潜在的火灾和爆炸事故发生的可能性增加。另一方面,世界上恐怖主义袭击事件频繁发生,导致部分大型公共建筑在火灾和爆炸作用下发生倒塌,造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。由此可见,火灾和爆炸通常相伴发生,因此,针对火灾和爆炸联合作用下建筑结构连续性倒塌问题的研究具有现实意义。近年来,轻钢结构被广泛地应用于建设公共建筑、民用住宅、工业厂房等。然而,目前针对轻钢框架结构在火灾和爆炸联合作用下倒塌机理问题的研究还是很少。本文针对火灾爆炸作用下轻钢框架结构倒塌机理及防护措施进行了系统的研究。通过建立新的钢材本构关系用来综合考虑高温软化效应与高速应变率效应,建立火灾爆炸作用下轻钢柱损伤评估方法,开展了轻钢框架结构倒塌过程及机理的研究,并提出了初步的防护措施。主要的研究内容和成果包括：(1)建立了考虑火灾(高温软化效应)和爆炸(高速应变率效应)的钢材本构关系模型。在传统的Johnson-Cook模型和Perzyna模型的基础上,考虑应变率与宏观的爆炸“比例距离”之间的关系,并通过欧洲规范3(Eurocode3)中标准升温曲线来考虑温度效应参数,建立修正后的Johnson-Cook本构关系模型。采用本文提出的综合考虑高温软化效应和高速应变率效应的钢材本构关系模型,考虑柱高、比例距离、轴压比、支座约束等参数对轻钢柱火灾爆炸作用下的破坏影响因素以及其破坏模式进行分析。结果表明：当“比例距离”及支座约束条件一定时,长细比较小的柱子对抗火灾爆炸有利;采用底端固接约束或两端固接约束的支座条件,对抗火灾爆炸能力较强；通过增大“比例距离”可以有效地提高轻钢柱抗火灾爆炸的能力；轻钢柱破坏模式主要分为剪切破坏、弯剪破坏、弯曲破坏三种,破坏模式主要受支座约束条件的影响。(2)将火灾爆炸作用下轻钢柱的破坏过程及破坏模式分成三种情况进行研究：单独考虑爆炸作用情况；综合考虑火灾爆炸作用情况：火灾爆炸发生后继续升温情况。以铰接-固接支座约束条件下的轻钢柱为研究对象,通过分析得出以下结论：轻钢柱在火灾爆炸作用下的破坏模式多为弯曲破坏；火灾爆炸作用下轻钢柱跨中挠度随着温度的升高而增大；提出了单独考虑爆炸荷载作用和不同温度场下爆炸荷载作用轻钢柱变形简图,为火灾爆炸作用下轻钢柱的动力响应和破坏模式的简化分析提供依据；对轻钢柱柱头转角与温度影响程度的关系进行了区域划定,即安全区、影响区、严重影响区；提出了判定轻钢柱破坏的损伤程度的指标D,并汁算出不同阶段损伤程度值；根据P-I关系基本原理,提出了火灾爆炸作用下轻钢柱损伤程度评估方法。确定了轻钢柱在火灾爆炸作用下的损伤等级,即轻度损伤、中度损伤、重度损伤和倒塌。(3)针对典型的火灾爆炸作用下轻钢框架结构倒塌过程及机理进行有效的数值模拟分析。本文采用“比例距离”,更有效地描述轻钢框架结构的破坏及倒塌现象。通过分析得出：相同“比例距离”条件下,温度越高时发生爆炸,轻钢框架结构破坏越严重,甚至造成连续性倒塌：在温度相同的条件下,“比例距离”越小,火灾爆炸作用下轻钢框架结构破坏越严重；火灾爆炸作用发生区域在边跨时,“比例距离”z≤1.28发生局部连续性倒塌,火灾爆炸作用发生区域在中跨时,“比例距离”z<0.8发生整体连续性倒塌；提出了火灾爆炸作用下轻钢框架结构评估等级,即无损伤、轻度损伤、中度损伤、重度损伤、濒临倒塌和连续性倒塌。(4)提出了有效的防护火灾爆炸作用下轻钢框架结构连续倒塌的措施,包括以下几方面：轻钢梁的钢索连接措施、楼板增加混凝土强度等级措施、底层轻钢柱采用钢骨混凝土柱并在表面包裹碳纤维及“钢夹克”和减少发生火灾爆炸事件的其它措施等。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-34
  1.1 选题背景及研究意义  13-15
    1.1.1 选题背景  13-14
    1.1.2 研究意义  14-15
  1.2 火灾爆炸作用的基本特点  15-18
    1.2.1 火灾和爆炸的联系  15-16
    1.2.2 火灾和爆炸发生的原因分析  16-17
    1.2.3 火灾和爆炸的基本特点  17-18
  1.3 建筑结构连续倒塌概念及发展现状  18-24
    1.3.1 连续倒塌定义  18
    1.3.2 建筑结构的连续倒塌研究进展  18-23
    1.3.3 连续倒塌的特性分析  23-24
  1.4 轻钢结构的发展现状  24-26
    1.4.1 轻钢结构的概念  24
    1.4.2 轻钢结构和重钢结构的区别  24-25
    1.4.3 轻钢结构国内外发展现状  25-26
  1.5 火灾爆炸作用下结构倒塌机理的研究现状  26-32
    1.5.1 火灾作用下结构钢本构关系研究现状  26-27
    1.5.2 火灾作用下结构倒塌研究现状  27-29
    1.5.3 爆炸作用下结构倒塌研究现状  29-30
    1.5.4 火灾爆炸作用下结构倒塌研究现状  30-31
    1.5.5 当前存在的主要问题  31-32
  1.6 主要研究内容及方法  32-33
  1.7 小结  33-34
2 火灾爆炸作用下钢材本构关系模型  34-57
  2.1 引言  34
  2.2 爆炸作用原理  34-38
    2.2.1 爆炸超压  34-35
    2.2.2 爆炸荷载理论  35-37
    2.2.3 LS-DYNA有限元软件中爆炸荷载分析模型  37-38
  2.3 爆炸作用下钢材本构模型  38-42
  2.4 高温作用下钢材的本构模型  42-48
  2.5 火灾爆炸作用下钢材的本构模型  48-56
    2.5.1 应变率区间的划分  48-49
    2.5.2 温度区间划分  49
    2.5.3 应变率与比例距离的关系  49-52
    2.5.4 温度与着火时间的关系  52
    2.5.5 本文建议的本构模型  52-53
    2.5.6 模型验证  53-56
  2.6 小结  56-57
3 火灾爆炸作用下轻钢柱动力响应及参数分析  57-78
  3.1 引言  57
  3.2 数值模拟方法验证  57-59
    3.2.1 模型概况  58
    3.2.2 计算结果对比  58-59
  3.3 轻钢柱在火灾爆炸作用下有限元分析模型  59-64
    3.3.1 爆炸荷载简化模型  59-60
    3.3.2 轻钢柱有限元模型建立  60-61
    3.3.3 常温下爆炸荷载钢材本构关系模型  61-62
    3.3.4 综合考虑火灾爆炸作用下钢材本构关系模型  62
    3.3.5 应用LS-DYNA软件实现改进钢材本构关系模型  62-64
  3.4 火灾爆炸作用下轻钢柱动力响应分析  64
  3.5 火灾爆炸作用下轻钢柱影响参数分析  64-77
    3.5.1 柱高的影响  64-70
    3.5.2 轴压比的影响  70-71
    3.5.3 比例距离的影响  71-74
    3.5.4 支座约束的影响  74-77
  3.6 小结  77-78
4 火灾爆炸作用下轻钢柱破坏模式及损伤评估  78-102
  4.1 引言  78
  4.2 轻钢柱有限元模型  78
    4.2.1 钢材的本构关系模型  78
    4.2.2 轻钢柱的有限元建模  78
  4.3 轻钢柱的破坏模式分类  78-84
    4.3.1 单独考虑爆炸荷载作用下轻钢柱破坏模式  78-81
    4.3.2 火灾爆炸作用下轻钢柱破坏模式  81-82
    4.3.3 具有初始损伤的轻钢柱在火灾作用下破坏模式  82-84
  4.4 轻钢柱破坏机理分析  84-88
    4.4.1 单独考虑爆炸荷载作用下轻钢柱破坏机理分析  84-86
    4.4.2 火灾爆炸作用下轻钢柱破坏破坏机理分析  86-88
    4.4.3 具有初始损伤的轻钢柱在火灾作用下破坏机理分析  88
  4.5 火灾爆炸作用下轻钢柱损伤评估方法  88-100
    4.5.1 轻钢柱损伤程度评估指标  88-89
    4.5.2 确定轻钢柱损伤评估等级  89-90
    4.5.3 利用P-I曲线评估的原理  90-91
    4.5.4 绘制P-I曲线  91-93
    4.5.5 损伤临界P-I曲线拟合  93-100
  4.6 小结  100-102
5 火灾爆炸作用下轻钢框架结构连续倒塌过程分析  102-135
  5.1 引言  102
  5.2 轻钢框架结构有限元模型  102-105
    5.2.1 空间轻钢框架有限元模型  102-104
    5.2.2 空间轻钢框架计算简图  104-105
  5.3 火灾爆炸作用下的荷载加载方法  105-108
    5.3.1 火灾高温效应加载方法  105
    5.3.2 爆炸荷载加载方法  105-108
  5.4 火灾爆炸作用下轻钢框架结构动力响应和倒塌机理分析  108-125
    5.4.1 工况一轻钢框架结构破坏及倒塌分析  108-117
    5.4.2 工况二轻钢框架结构破坏及倒塌分析  117-125
  5.5 火灾爆炸作用下带楼板的轻钢框架结构连续倒塌的破坏模式  125-130
    5.5.1 考虑带楼板的轻钢框架结构有限元模型  125-127
    5.5.2 工况三轻钢框架结构破坏及倒塌分析  127-129
    5.5.3 工况四轻钢框架结构破坏及倒塌分析  129-130
  5.6 火灾爆炸作用下轻钢框架结构防倒塌措施  130-133
    5.6.1 轻钢梁的钢索连接措施  131-132
    5.6.2 楼板的防护措施  132
    5.6.3 轻钢柱的防护措施  132
    5.6.4 防止发生火灾引起爆炸事件  132-133
  5.7 小结  133-135
6 结论与展望  135-138
  6.1 结论  135-136
  6.2 展望  136-138
参考文献  138-145
论文创新点摘要  145-146
攻读博士学位期间发表学术论文情况  146-147
博士期间参与科研项目情况  147-148
致谢  148-149
作者简介  149-150

火灾爆炸作用下轻钢框架结构连续倒塌机理分析

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