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钢筋混凝土框架结构耐火性能全过程数值模拟

作　者: 毕然
导　师: 刘永军
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 结构工程
关键词: 框架结构火灾模拟有限元分析温度场升温曲线耐火极限
分类号: TU375.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钢筋混凝土框架结构在房屋建筑里应用最为广泛,而这类建筑每年遭受火灾的数量也较多。钢筋混凝土山于高温的作用,力学性能随着温度升高而下降,造成结构承载力下降,危机结构的安全性。为保证结构具有足够的抗火能力,国内外对此类建筑火灾都进行了一些试验研究,并取得了一定成果,制定了相应的结构防火安全设计的一些规范和标准。但传统的指令性防火设计规范并不能覆盖实际中的所有情况,如采用国际标准升温曲线来代替实际升温曲线会使计算结果存在误差。以往的研究仅针对火灾作用下内部环境的升温问题,或直接采用国际标准升温曲线对构件进行温度和变形分析,缺乏对火灾全过程的整体考虑。本文以钢筋混凝土框架结构的商场为实例,应用火灾模拟软件FDS和有限元分析软件ANSYS,通过研究火灾下空间内部的温度变化、结构构件及节点处的温度场分布随时间变化规律,以及结构的变形和应力情况,对结构的耐火性能进行分析和判断。主要做了以下工作：1.对某钢筋混凝土框架结构的火灾荷载进行调查及火灾模拟。基于性能化防火设计的方法,在对某钢筋混凝土框架结构商场进行火灾荷载调查的基础上,研究FDS火灾模拟过程中输入的关键参数,如空间尺寸、可燃物布置、火源位置、通风口设置等。通过在不同位置设置温度观测点,得到火灾下商场的环境温度随时间变化结果、真实的火灾升温曲线及热释放速率曲线,为有限元分析提供数据基础。2.考虑升温过程中材料的热工性能和力学性能的变化,利用火灾模拟软件FDS测得的不同位置处的升温曲线应用于有限元分析软件ANSYS的温度荷载中,对火灾下结构构件的温度变化情况进行瞬态热分析,得到不同时刻梁、柱截面以及节点内部温度场分布情况,为研究高温下钢筋混凝土框架结构的耐火性能奠定基础。3.利用有限元模拟软件ANSYS对已有试验进行模拟,通过将模拟结果与试验结果进行对比来证明本文模拟方法的可行性。接下来对钢筋混凝土框架结构模型进行热力耦合分析,得出火灾下框架的水平方向和竖直方向位移分布云图、Von Mises应力分布云图。分析结果为结构构件满足规范关于耐火时间的要求,最终由于梁的竖向变形过大而使结构失去承载能力,发生倒塌。本文所做的工作为今后钢筋混凝土框架结构抗火设计的深入研究、结构耐火极限以及应急消防预案提供一定的参考作用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目次  6-12
第一章绪论  12-20
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 本文研究的目的和意义  13-14
    1.2.1 研究目的  13-14
    1.2.2 研究意义  14
  1.3 性能化防火设计方法的研究现状  14-16
    1.3.1 国外研究现状  15
    1.3.2 国内研究现状  15-16
  1.4 钢筋混凝土结构抗火性能研究现状  16-18
    1.4.1 建筑材料高温下的热工和力学性能的研究  16-17
    1.4.2 建筑构件抗火性能试验研究  17
    1.4.3 建筑结构抗火性能足尺试验研究和模化研究  17-18
  1.5 课题的研究工作  18-20
第二章建筑火灾的发展过程及模拟方法  20-36
  2.1 室内火灾的发展过程  20-21
    2.1.1 火灾增长阶段  20
    2.1.2 火灾全盛阶段  20-21
    2.1.3 火灾衰退阶段  21
  2.2 影响火灾发展的主要因素  21-23
    2.2.1 火灾荷载  21-22
    2.2.2 通风条件  22
    2.2.3 热释放速率  22-23
  2.3 火灾的计算机模拟方法  23-25
    2.3.1 场模拟  24
    2.3.2 网络模拟  24
    2.3.3 区域模拟  24-25
    2.3.4 场模拟软件介绍  25
  2.4 FDS介绍及基本理论  25-30
    2.4.1 FDS适用范围  26
    2.4.2 FDS基本方程及数值求解方法  26-27
    2.4.3 FDS的燃烧模型  27-28
    2.4.4 FDS湍流模型  28-29
    2.4.5 FDS热辐射模型  29-30
  2.5 ANSYS介绍及基本理论  30-33
    2.5.1 ANSYS热分析的应用  30-31
    2.5.2 ANSYS热分析理论基础  31-33
  2.6 本章小结  33-36
第三章钢筋混凝土框架结构商场火灾模拟  36-50
  3.1 FDS火灾场景概述  36-40
    3.1.1 火灾荷载调查和研究  36-37
    3.1.2 可燃物燃烧性能及燃烧热值  37-38
    3.1.3 模拟商场概况  38-39
    3.1.4 火灾场景设置  39-40
  3.2 FDS火灾模拟  40-44
    3.2.1 定义材料参数  40-41
    3.2.2 划分网格  41
    3.2.3 定义表面特性  41-42
    3.2.4 创建实体  42-43
    3.2.5 定义通风口  43
    3.2.6 输出参数设置  43-44
  3.3 计算结果及分析  44-49
    3.3.1 热释放速率曲线  44-45
    3.3.2 竖直方向温度场  45-46
    3.3.3 水平方向温度场  46
    3.3.4 火灾升温曲线  46-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章火灾下结构内部主要构件温度场分析  50-64
  4.1 高温下钢筋混凝土材料的热工性能  50-53
    4.1.1 高温下混凝土的材料特性  50-52
    4.1.2 高温下钢材的材料特性  52-53
  4.2 瞬态温度场的有限元分析  53-58
    4.2.1 问题描述及计算假定  53
    4.2.2 有限元模型的建立步骤  53-58
  4.3 瞬态热有限元结果分析  58-62
    4.3.1 框架柱截面温度场分析  58-60
    4.3.2 框架梁温度场分析  60-61
    4.3.3 节点温度场分析  61-62
  4.4 本章小结  62-64
第五章火灾下钢筋混凝土框架结构耐火性能分析  64-76
  5.1 高温作用下钢筋混凝土材料的力学性能  64-67
    5.1.1 高温作用下混凝土材料的力学性能  64-66
    5.1.2 高温作用下钢筋的力学性能  66-67
  5.2 混凝土破坏准则  67
  5.3 有限元分析方法的可行性  67-68
  5.4 框架结构有限元模型的建立  68-70
    5.4.1 有限元模型建立假设  69
    5.4.2 模型建立的相关条件  69-70
  5.5 火灾下框架结构热-结构耦合分析  70-75
    5.5.1 火灾下框架水平方向位移  70-71
    5.5.2 火灾下框架竖直方向位移  71-73
    5.5.3 火灾下框架温度和应力分布  73-75
  5.6 本章小结  75-76
第六章结论  76-78
  6.1 本文的主要工作及结论  76-77
  6.2 建议与展望  77-78
参考文献  78-82
作者简介  82
作者在攻读硕士学位发表的学术论文  82-84
致谢  84

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