基于FDS模拟温度场作用下钢结构体系抗火性能分析

发布时间：2017-07-20 11:23

  本文关键词：基于FDS模拟温度场作用下钢结构体系抗火性能分析

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【摘要】：大空间建筑能够提供宽敞舒适的内部环境,又能满足建筑功能的多样化需求,所以近些年大空间钢结构建筑应用越来越广泛。钢结构抗火性能差,一旦发生火灾,钢结构很容易发生构件破坏甚至整体倒塌。目前针对钢结构的防火研究主要集中在一般室内火灾,然而大空间建筑火灾的温度场具有分层性和区域性,不同于一般室内火灾的均匀温度场,且高温荷载作用下单个构件的破坏并不意味着整个结构达到了极限状态,因此有必要针对不同火灾场景下的大空间建筑钢结构的整体抗火性能进行深入研究。本文选用一平面刚架结构和一空间网架结构作为研究对象,采用数值模拟的方法,对大空间建筑钢结构在火灾下的温度场分布和整体抗火性能进行研究。论文完成的主要研究内容如下:(1)归纳总结结构钢材在高温下的材料特性,并确定用于后续分析所需的热物理参数和力学参数的取值;介绍两种用于计算钢构件升温的方法,并结合实例对计算结果进行对比分析,确定本文所选用的计算方法;(2)利用FDS软件建立某平面刚架结构仓库固定型火源火灾模型以及某空间网架结构体育馆扩展型火源火灾模型,通过改变火源位置或着火点位置来建立不同火灾场景,并分析火源或着火点位置的改变对火灾发展过程和室内温度场的影响;(3)以FDS模拟结果作为大空间建筑火灾的室内温度场,并对该温度场进行适当分区,同时利用ANSYS瞬态热分析方法,计算两种结构体系不同火灾场景下各构件或单元不同时刻的温度值;(4)将热分析得到的构件或单元不同时刻的温度作为荷载施加到结构上,然后利用有限元软件ANSYS采用热-结构耦合分析方法,对结构在不同火灾场景下的响应进行非线性全过程数值模拟,分析其抗火性能并确定耐火极限,最后采用基于结构性能化的抗火设计方法,分析不同厚度的防火涂料对结构抗火性能的影响。
【关键词】：大空间钢结构建筑 火灾 温度场模拟 热-结构耦合分析 性能化防火
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU391;TU352.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题研究的背景和意义9-10
• 1.2 大空间钢结构建筑火灾的特点10-12
• 1.2.1 大空间建筑特点10-11
• 1.2.2 大空间钢结构建筑火灾特点11-12
• 1.3 大空间钢结构建筑的抗火设计方法12-14
• 1.4 大空间建筑钢结构抗火研究现状14-18
• 1.4.1 大空间建筑火灾温度场的研究14-16
• 1.4.2 大空间建筑火灾中构件升温计算方法研究16
• 1.4.3 钢材火灾过程中材料性能的研究16-17
• 1.4.4 大空间钢结构整体的抗火性能研究17-18
• 1.5 本文主要研究内容18-19
• 第2章 普通结构钢材的高温特性及钢构件升温分析19-38
• 2.1 高温下结构钢材的热物理特性19-22
• 2.1.1 密度19
• 2.1.2 热膨胀系数19-20
• 2.1.3 比热容20-21
• 2.1.4 热传导系数21-22
• 2.2 高温下结构钢材的力学特性22-27
• 2.2.1 泊松比23
• 2.2.2 屈服强度23-24
• 2.2.3 弹性模量24-25
• 2.2.4 应力—应变关系25-27
• 2.3 火灾下钢构件升温的基本原理27-31
• 2.3.1 火灾下空气温度场及计算方法介绍28-29
• 2.3.2 火灾下钢构件传热升温的基本原理29-31
• 2.4 火灾下钢构件升温的计算31-37
• 2.4.1 火灾下钢构件升温的实用计算方法31-32
• 2.4.2 火灾下钢构件升温的瞬态热分析方法32-33
• 2.4.3 算例比较33-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 大空间建筑火灾空气温度场的数值模拟分析38-59
• 3.1 FDS软件模拟火灾的流程和参数设定38-41
• 3.1.1 FDS软件模拟火灾的流程38-39
• 3.1.2 网格的设置39-40
• 3.1.3 火源的设定40-41
• 3.2 平面刚架仓库的火灾温度场数值模拟41-49
• 3.2.1 模型的建立42-44
• 3.2.2 火灾场景设置44
• 3.2.3 火灾温度场模拟结果分析44-47
• 3.2.4 火源位置对温度场的影响47-49
• 3.3 空间网架体育馆的火灾温度场数值模拟49-58
• 3.3.1 模型的建立50-52
• 3.3.2 火灾场景设置52
• 3.3.3 火灾发展过程以及温度场分析52-57
• 3.3.4 着火点位置对温度场的影响57-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 平面刚架结构仓库抗火性能分析59-75
• 4.1 建立平面刚架有限元模型59-60
• 4.1.1 单元选取59
• 4.1.2 模型参数59
• 4.1.3 材料属性59-60
• 4.2 平面刚架热分析60-65
• 4.2.1 空气温度场的确定60-61
• 4.2.2 构件加载方式61-62
• 4.2.3 刚架温度场分析62-65
• 4.3 平面刚架热-结构耦合分析65-70
• 4.3.1 加载方式及破坏准则65-66
• 4.3.2 常温荷载作用下结果66
• 4.3.3 火灾场景A下结果66-68
• 4.3.4 火灾场景B下结果68-70
• 4.4 有防火涂料平面刚架热-结构耦合分析70-74
• 4.4.1 防火涂料参数70
• 4.4.2 刚架升温分析70-72
• 4.4.3 刚架抗火性能分析72-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第5章 空间网架结构体育馆抗火性能分析75-94
• 5.1 工程概况及火灾分析方法75-76
• 5.1.1 工程概况75-76
• 5.1.2 火灾分析方法76
• 5.2 建立网架有限元模型76-77
• 5.2.1 单元选取76
• 5.2.2 截面参数76-77
• 5.2.3 材料属性77
• 5.2.4 加载方式77
• 5.3 火灾场景一网架构件升温计算77-79
• 5.3.1 空气温度场的确定77-78
• 5.3.2 裸钢构件的升温78-79
• 5.4 火灾场景一网架整体抗火性能分析79-87
• 5.4.1 荷载效应组合及破坏准则的确定79
• 5.4.2 位移分析79-83
• 5.4.3 内力分析83-87
• 5.5 不同火灾场景下网架抗火性能分析87-89
• 5.6 有防火涂料网架整体抗火性能分析89-93
• 5.6.1 防火涂料参数89-90
• 5.6.2 杆件升温分析90-92
• 5.6.3 网架抗火性能分析92-93
• 5.7 本章小结93-94
• 结论94-96
• 参考文献96-101
• 致谢101-102

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本文编号：567811