石化装备钢结构抗火力学行为与倒塌控制技术研究

发布时间：2019-10-11 17:12

【摘要】：石化装备钢板剪力墙和钢框架结构，抗火计算分析的难点在于石化烃类火灾高温下钢材本构关系随温度升高而不断变化的情况。研究工作表明采用有限元方法非常有效，能考虑材料和几何非线性等诸多因素的影响，但是建模复杂和计算量大，难于在工程中广泛应用。本文提出了火灾高温下石化装备钢结构塑性极限分析方法，，不仅使用简单且方便有效，计算分析结果能够满足工程需要。常温下钢板剪力墙结构中的薄钢板屈曲并不意味丧失承载能力，相反，由于拉力带的作用类似于一系列斜撑，屈曲后的强度可达数十倍屈曲载荷。加拿大Thorburn等在1983年提出了均匀场拉力带模型String Model（SM），利用结构的屈曲后强度，目前该模型被北美钢结构规范所采用。作者研究发现火灾下其本质区别在于钢板剪力墙结构中拉力带的复杂拉力场分布，提出墙底和顶，以及左和右端不同温度场的温度拉力带计算模型Temperature String Model（TSM），利用最小势能原理推导了拉力带倾角的计算公式及变化规律。基于塑性极限分析理论，推导了钢板剪力墙屈曲后承载力的完全解或上限解。目前，对于火灾下钢框架结构力学行为已进行了深入研究，主要是下限有限元及简化计算方法，在工程应用中，由于本构关系的不断变化，常会面临计算不收敛的问题。为此，作者提出了基于塑性极限分析上限法，利用基本破坏机构叠加，通过准牛顿法解非线性规划寻找最小内力功的临界载荷乘子，再升温利用迭代法来求解最小载荷乘子对应的钢框架结构破坏的临界温度。在火灾情况的结构倒塌控制技术中，结构内力传递二次路径法非常有效。作者利用结构软件STAAD对石化裂解炉钢结构，根据敏感性指标确定关键构件，将其强度和刚度不断降低计算整体结构倒塌的临界温度，通过结构优化设计达到设定目标。目前，国内室外烃类火下超薄型防火涂料耐火性能试验还不多，对其进行了发泡实验，同时根据纤维火试验结果，采用等效爆火时间理论进行研究。本文研究内容关注石化装备钢结构抗火和倒塌控制技术，提出了火灾下钢板剪力墙结构承载力的计算公式和上限法确定钢框架临界温度的计算方法，编制了钢框架的抗火计算程序，用来进行火灾场景下的模拟分析，为钢结构性能化设计提供理论依据，提出了适合于工程设计应用的钢结构防火保护范围的计算方法。
【图文】：

茂名乙烯,裂解装置,火灾

有关统计表明：石油化工企业的火灾约占城市重特大火灾的 25%以上。典型的石化重大火灾有（见图1.1）：中石化 2008 年 6 月 3 日茂名乙烯裂解装置重大火灾事故，6 月 3 日18 时 55 分，正在运转的茂名乙烯 2 号裂解炉突然发生火灾，50 名消防勇士组成“敢死队”，强突最危险的爆炸区内，对装置进行排空，防止因火灾被扑灭而发生二次爆炸。在 250 余名参战官兵的奋勇扑救下，当晚 20 时 30 分，火势已被控制，21 时 50 分，现场明火被扑灭，火灾持续时间约 90 分钟

钢板剪力墙,压杆屈曲,飞机铝,屈曲后强度

直到 1983 年加拿大学者 Thorburn[4]等提出利用内嵌薄念后，给出了拉力带模型 String Model (SM），利用 SM拉力带倾角和水平承载力的计算公式，由 Timler 和 Kul了其有效性，才使得利用屈曲后强度的非加劲钢板剪力始应用。钢板剪力墙类似于竖向的悬臂梁，周边柱类似似于横向加劲肋。目前，钢板剪力墙仍然是研究热点之拉力带充分发挥作用时，对周边框架的刚度要求较高，所开孔和两边连接的开缝钢板剪力墙研究近来也受到重视带理论(Diagonal Tension Theory)的研究进展。1929 年heory[5]进行飞机铝结构设计时，认为不考虑板的屈曲后强出应用拉力带理论进行设计，减轻飞机结构重量。如图简化为拉压杆桁架，在集中力 P 的作用下压杆屈曲失稳年 Paul Kuhn Theory[6]认为压杆屈曲后仍可承受一定荷拉力带共同承载的设计理论，用系数 k 来表示两者所占试验破坏如图 1.4 所示。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU391

【参考文献】