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张弦梁结构(Beam String Structure,简称BSS)是一种由刚性上弦拱梁、柔性下弦拉索、中间连以撑杆组合而成的新型大跨空间混合结构。由于其承载力高、变形小、施工方便,并可根据建筑平面及结构受力的需要采用单向、双向或多向布置,而被广泛应用于国内外各种大跨度建筑中。但其结构构件主要采用钢材,结构耐火性能差,在火灾作用下很容易发生破坏甚至倒塌。因此,对张弦梁结构抗火性能进行系统研究具有重要意义。
本文基于EC3、EC4中普通钢材及预应力钢索的高温材料性能,对单、双向张弦梁结构火灾下的力学性能进行了系统研究。主要研究内容如下:
(1)火灾下钢构件截面温度分布及钢索预应力损失模拟研究对大空间火灾作用下张弦梁结构构件进行热分析,得到了构件的温度场分布情况。模拟了火灾下预应力钢索的应力损失过程,并对比分析了蠕变、初始预应力、钢索截面积等因素对钢索预应力损失的影响。
(2)火灾下单向张弦梁结构的力学性能研究基于大空间火灾空气升温模型设定火灾场景,对局部火灾作用下单向张弦梁整体结构的力学性能进行了数值模拟。分析了火灾下单向张弦梁结构的温度场分布规律、结构位移和应力特征、钢索预应力变化及结构的破坏模式,得到了局部火灾作用下结构的极限状态。分析了不同火源模型和不同结构参数对火灾下单向张弦梁结构极限状态的影响。
(3)火灾下双向张弦梁结构的力学性能研究基于大空间火灾空气升温模型设定火灾场景,对局部火灾作用下双向张弦梁整体结构的力学性能进行了模拟分析。研究了火灾下双向张弦梁结构的温度场分布规律、结构位移和应力特征、钢索预应力变化及结构的破坏规律,得到了局部火灾作用下结构的极限状态。分析了不同火源模型和不同结构参数对火灾下双向张弦梁结构极限状态的影响。
通过对张弦梁结构火灾下力学性能的非线性有限元分析,研究了张弦梁结构的抗火性能,研究成果可为该类结构的抗火设计提供参考依据。