钢框架结构火灾抗震性能及火灾余震耦合研究

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钢结构具有轻质高强、抗震性能良好等优点,但是钢结构本身有着不耐高温的缺点,而地震通常会诱发火灾,且地震次生火灾持续时间长、主震发生后震区余震不断。相对于不受火灾高温的钢结构,一旦次生火灾与余震耦合作用,结构将具有重大安全风险。这会直接影响到结构的稳定、使其具有倒塌风险,威胁震后居民、抗震救灾及消防救援人员的生命安全。因此,本文对钢结构火灾下抗震性能损伤和火灾余震耦合作用下结构响应展开研究。通过理论计算、有限元模拟及模态参数识别,对四跨六层钢框架结构模型进行研究。构造钢框架梁柱构件、结构楼层和整体结构在火灾作用下的结构抗震性能损伤的表征函数,以构件-楼层-结构层次的损伤过程,研究火灾时各温度工况下不同楼层、不同构件和不同跨度发生火灾的影响规律。明确楼层损伤与整体结构损伤关系,得到火灾发生的楼层位置及火灾发展程度与结构整体损伤之间的关系。通过7条真实地震序列作为余震输入,以各温度工况下时程位移对比、各楼层层间位移角对比、各余震序列耦合火灾下结构损伤对比的研究思路,研究钢框架火灾耦合余震下结构损伤过程,得到不同火灾温度工况和地震强度等级与结构损伤之间的关系。主要结论如下:(1)火灾下梁构件PM曲线面积域明显缩小,抗弯承载力和轴力减小,能产生的悬链线效应减弱。火灾下柱构件滞回曲线由饱满的梭形向捏缩的弓形过度,框架柱滞回性能严重下降。结构底层相比中层顶层、结构柱构件相比梁构件和结构中间跨度相比边缘跨度发生火灾时楼层损伤更加严重。(2)火灾余震耦合作用相比常温地震作用下结构最大时程位移有所增大,且时程位移曲线波峰波谷出现明显的错峰。火灾余震耦合作用下结构性能损伤退化主要受火灾温度工况及地震动加速度幅值影响,而地震动的持续时间和频谱特性影响较小。本文通过对钢框架结构在火灾下抗震性能损伤和火灾余震耦合作用下结构响应的研究,得到钢框架结构不同火灾场景下的抗震性能损伤影响规律,明确钢框架结构在火灾及余震耦合作用下的损伤过程,能够为钢框架结构地震前防灾规划的制定提供依据、地震时的应急救灾决策提供帮助。
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