钢框架结构受火连续性倒塌数值仿真与倒塌机理研究

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连续性倒塌是指建筑局部或部分构件发生破坏后,与之相连的构件相继发生破坏,甚至导致结构整体完全倒塌的现象。钢结构力学性能良好,加工难度小,适宜模块化施工,但耐火性能较差,在高温下容易失去承载能力。在国家政策支持下,钢结构在建筑领域得到了广泛应用。这就要求提高钢结构建筑的安全性能,在火灾等意外发生时具备一定的抗连续倒塌能力。业界学者对钢框架在常温和高温下的抗连续倒塌课题进行了大量研究,主流的研究方法为数值模拟和梁柱子结构试验,得到了较为丰硕的研究成果。但是研究所用材料、试验方法、结构参数不一,且梁柱子结构与框架整体并不完全一致,分析所得多为定性结论,对各参数的影响缺乏有效的系统归纳。有鉴于此,本文以钢框架为研究对象,基于常温关键构件判别确定受火位置,对钢框架进行热力耦合分析,研究钢框架在局部受火工况下的抗连续倒塌能力,主要研究内容与结论如下:(1)从关键构件判别与倒塌破坏准则入手,对钢框架受火连续倒塌与常温构件拆除法分别进行数值模拟与机理分析,比较研究其关联性,并验证失效准则。钢框架底层中柱受火时,失效温度低于底层边柱受火时的失效温度,即出现约束越强,失效温度反而越低的现象。(2)通过调整钢框架的结构参数,对平面和空间钢框架受火连续倒塌进行热力耦合分析,以定性分析梁跨高比、梁柱线刚度比、荷载比、受火位置、支撑设置、平面与空间等因素对钢框架失效温度的影响。随着跨高比增加,失效温度升高。当梁柱线刚度比相对较大时,梁对柱有较强的约束作用,在受火柱发生热膨胀的过程中加大了柱轴力,使得受火柱容易屈曲,此时增大梁跨高比削弱了梁对柱的约束,使得柱受热膨胀过程中轴力减小,失效温度提高。梁跨高比不变时,增大梁柱线刚度比,剩余结构荷载重分配能力增强,受火柱热膨胀过程中轴力进一步增大,在这两种效应的综合作用下,钢框架失效温度提高。荷载比的增加将加重剩余结构荷载重分配的负担,更容易倒塌。支撑的设置可以有效提高钢框架失效温度,但距离受火柱越近的支撑布置方式,对失效温度的提高效果反而较差。空间钢框架在底层柱受火失效的过程中,剩余结构的荷载重分配路径多于平面钢框架,荷载重分配能力更强,失效温度更高。(3)利用多元线性回归理论与哑变量理论,将受火柱位置、框架维度等分类变量转为数字变量,通过SPSS软件将各参数对结构失效温度的影响进行定量分析,以研究这些结构参数对钢框架受火能力的影响。多元线性回归所得方程调整后R2>0.8,说明引入哑变量将分类变量转化为字符串后,方程拟合效果较好。梁跨高比、梁柱线刚度比、荷载比、受火位置、框架维度在多元线性回归中显著性<0.05,说明其对钢框架失效温度均有显著影响。
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