火災及爆炸共同作用下約束鋼梁的力學性能

本項目的成果包括：通過Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)試驗，研究了建筑結構用鋼在高溫條件下的動態(tài)力學行為，并建立了一種新的鋼材高溫-粘塑性本構模型，該模型與試驗結果的擬合效果較好；在新提出本構方程的基礎上，基于三種不同單元(平面Timoshenko剪切梁單元、三維纖維梁單元、九節(jié)點Mindlin板單元)，建立了三個可用于分析火災-爆炸共同作用下約束鋼梁力學響應的非線性數(shù)值模型(使用Fortran編程)，并模擬了若干火災及爆炸試驗過程，效果良好；使用建立的數(shù)值模型并結合現(xiàn)有的商業(yè)通用有限元軟件進行了大量參數(shù)分析，總結了梁在火災-爆炸共同作用條件下的破壞模式，以及軸向約束剛度、爆炸載荷特征、火災升溫路徑等因素對梁響應結果的影響；提出了一種簡化的梁在火災-爆炸共同作用條件下響應的計算方法。鋼材的高溫動態(tài)沖擊試驗結果表明，動態(tài)應變時效(DSA)使兩種鋼材表現(xiàn)出明顯的“反?！毙袨?，當溫度超過400℃時，鋼材的流動應力表現(xiàn)出溫度強化以及應變率軟化效應，同時可以明顯觀察到材料硬化率的提高。而參數(shù)分析表明，若僅考慮鋼梁在火災升溫過程中的材料軟化及撓曲變形造成的幾何非線性效應，而不考慮梁截面畸變影響，先爆炸、后火災或先火災、后爆炸，這兩種加載方式對鋼梁的影響主要集中于殘余撓度的差異上，對梁其它性能的影響較小。當考慮加載過程中梁截面的畸變，爆炸(尤其沿梁平面外方向加載)可明顯改變梁截面的抗彎剛度，從而使爆炸后梁的火災行為與使用梁單元分析的結果產生大的差異。爆炸施加的角度影響梁的火災-爆炸行為，沿梁負撓曲方向加載的爆炸作用，可使梁形成反拱，同時熱膨脹導致梁軸力的增大，這有利于梁抗火性能的提高。分析結果還表明，當梁截面各分肢具有合理的高厚比或寬厚比時，可以保證梁較好的延性，而延性越好，梁在火災-爆炸共同作用下將具有相對小的損傷。 2100433B

爆炸往往伴隨著火災，而火災有時也會引起爆炸，研究鋼結構在爆炸和火災聯(lián)合作用下的力學性能具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本項目擬對不同約束條件下工字鋼梁在高溫下的抗沖擊性能進行研究，包括理論分析、試驗研究、計算機模擬以及參數(shù)討論。通過對鋼材進行高溫下不同應變率的沖擊試驗，研究鋼材在高溫、高應變率下的力學性能，并擬合材性模型，確定相關參數(shù)，得到鋼材的應力、應變、應變率和溫度等參數(shù)之間的關系，將其應用到火災和爆炸下的結構分析。應用給定的燃氣爆炸荷載模型，研究鋼梁在火災和爆炸共同作用下的動力響應及破壞形態(tài)，考慮梁端約束情況包括軸向約束剛度、轉動約束剛度的影響，推導復雜條件下單元剛度方程，編制有限元程序，計算不同溫度下約束鋼梁的抗沖擊性能。通過參數(shù)分析，得到不同約束條件下工字鋼梁極限溫度和沖擊荷載之間的關系，給出約束鋼梁高溫下抗沖擊性能的計算方法。研究成果可為鋼框架結構整體抗火、抗爆性能研究提供基礎。

本項目針對爆炸沖擊荷載造成的結構局部損傷與破壞將顯著降低鋼結構抗火性能的現(xiàn)象，擬采取理論分析與數(shù)值模擬相結合的研究方法，系統(tǒng)開展爆炸與其次生災害-火災聯(lián)合作用下鋼結構的損傷破壞與連續(xù)倒塌分析研究，以鋼梁、鋼柱等結構構件和典型鋼結構為研究對象，通過研究爆炸與火災作用下鋼結構損傷破壞的相關性，建立爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結構構件的損傷破壞分析方法；通過研究爆炸后火災作用下鋼梁、鋼柱等結構構件的損傷破壞規(guī)律，建立爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結構構件的損傷程度評估方法；通過研究爆炸后火災作用下溫度環(huán)境的時空變化規(guī)律，建立爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼結構連續(xù)倒塌分析與倒塌時間預測方法。為日益廣泛應用的鋼結構的安全設計提供可靠的理論依據和分析手段，因而具有重要的理論意義和工程價值。

本書針對火災和爆炸聯(lián)合作用下輕鋼框架結構倒塌機理及防護措施進行了初步研究。通過建立新的鋼材本構關系用來綜合考慮高溫軟化效應與高速應變率效應，建立了火災和爆炸荷載聯(lián)合作用下輕鋼柱損傷評估方法，開展了輕鋼框架結構倒塌過程及機理的研究。

我國經濟繁榮、社會穩(wěn)定，但由于世界形勢復雜多變、地區(qū)間貧富差距，社會矛盾依然存在，我國依然面臨著潛在的人為恐怖襲擊爆炸威脅。爆炸發(fā)生后將導致建筑結構發(fā)生破壞；與此同時，爆炸會引發(fā)火災等次生災害。對于鋼結構建筑，火災是最具有破壞效應的特殊作用之一，爆炸及爆炸后引起的火災將進一步加劇結構的破壞，甚至引發(fā)結構的連續(xù)倒塌，給人民生命及財產安全帶來嚴重威脅。研究爆炸和火災聯(lián)合作用下鋼結構的損傷機理及連續(xù)倒塌具有重要意義。 本項目對鋼構件在爆炸與火災聯(lián)合作用下的損傷破壞模式與鋼結構倒塌機理進行研究，取得成果如下： （1）爆炸與火災聯(lián)合作用下的荷載模型。通過對室內爆炸及爆炸后火災發(fā)展規(guī)律的研究，以我國典型民用建筑為研究對象，采用數(shù)值模擬和理論推導的方法建立了室內爆炸荷載模型、爆炸后建筑內部火災溫度模型，以及作用于構件的荷載模型，為進一步研究鋼構件在爆炸火災下的損傷破壞奠定基礎。 （2）爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼結構構件的損傷評估。通過對鋼材在高應變率、高溫下?lián)p傷演化規(guī)律的研究，提出一種基于連續(xù)損傷力學理論和微觀空隙發(fā)展理論的損傷模型，并將其引入鋼材本構模型中，建立了爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼柱損傷破壞分析方法；通過對不同截面尺寸、不同高度鋼柱的參數(shù)分析，研究了爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼柱的失效模式，采用公式擬合的方法建立了爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼柱損傷評估的P-I-t曲面; 通過對鋼柱在爆炸下響應規(guī)律的研究，提出一種鋼柱在爆炸與火災聯(lián)合作用下的快速損傷評估方法，采用公式擬合的方法得到爆炸荷載下鋼柱的整體變形與局部變形，并作為初始條件引入抗火分析。該研究成果可應用于任意截面鋼柱在爆炸與火災下的初步損傷評估。 （3）爆炸與火災聯(lián)合作用下鋼結構連續(xù)倒塌高效分析模型與方法。通過對倒塌過程中鋼結構節(jié)點受力特征的分析，提出一種考慮軸力-彎矩耦合效應的節(jié)點模型，進而建立應用于連續(xù)倒塌分析的鋼框架結構高效數(shù)值分析模型；參照國外相關規(guī)范，提出了結構在同一樓層內及不同樓層間的容許倒塌范圍，進而建立子結構的選取原則，提出了一種基于子結構法的鋼框架結構快速損傷評估方法；在上述研究基礎上，提出了鋼框架結構在爆炸與火災聯(lián)合作用下連續(xù)倒塌的分析方法，通過大量參數(shù)分析，建立了結構抗火時間與炸藥當量的關系，研究了鋼框架結構爆炸與火災聯(lián)合作用下的倒塌機制。該成果可實現(xiàn)鋼結構在爆炸與火災作用下的快速抗倒塌評估。 2100433B