轻钢组合结构住宅体系主要由冷成型钢骨架与轻质建筑板材组成,具有外表美观、绿色环保、施工方便、便于实现建筑装配化等特点,普遍适用于低层别墅住宅。随着我国城镇化快速发展,将低层轻钢组合结构住宅体系拓展为多层轻钢组合结构住宅体系,不仅能够提高土地利用率,而且能够解决我国钢铁产量过剩问题。在此拓展过程中,轻钢组合结构的耐火性能是重点需要解决的问题。本课题组已完成多种不同形式的轻钢组合构件高温火灾试验,本文针对该试验建立二维有限元精细(原始)模型、三维有限元精细(原始)模型进行模拟,并在此基础上提出二维等效简化模型和三维等效简化模型。主要内容及结论如下:(1)总结本课题组构件火灾试验的各板材脱落规律,提出石膏板、波特板、岩棉等板材的脱落及失效准则。结合本课题组已测得的覆面板材热物理性能,考虑空腔内部的热对流作用、热辐射作用及龙骨热传导作用,利用COMSOL软件建立组合构件二维有限元精细(原始)模型。与试验结果对比表明,数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数值模型及课题组所测得板材高温热物理性能的有效性,模拟结果可用于后续等效简化模型的推导;受火侧B1层石膏板、岩棉、硅酸铝棉的板材脱落准则能够较准确地预测板材脱落/失效时间;不同构件的受火侧组合板材料、形式均相同时,其受火侧组合板具有相同的升温规律。(2)在二维有限元原始模型的基础上忽略空腔龙骨,利用COMSOL软件建立无龙骨有限元模型,并将其结果与二维有限元原始模型进行对比。结果表明,忽略空腔龙骨的热传导作用对构件局部传热和整体传热影响均较小。在无龙骨模型的基础上拟提出以热传导作用等效空腔对流作用的思路,并利用二维有限元原始模型的模拟结果推导出等效导热系数的计算公式,建立二维等效简化模型进行模拟,将其结果与二维有限元原始模型进行对比。结果表明,两者升温曲线吻合良好,验证了等效简化模型的有效性;推导的等效导热系数计算公式对受火侧组合板相同的不同构件均适用。在计算时间上,以构件G-3-1为例,二维等效简化模型模拟时长为1小时12分,二维有限元原始模型为6小时33分,即二维等效简化模型计算效率显著提高。(3)利用COMSOL软件建立组合构件的三维有限元精细(原始)模型,并将其结果与试验结果及二维有限元原始模型进行对比。结果表明,三维模拟结果与试验结果吻合良好,验证了三维有限元原始模型的有效性;三维有限元原始模型较二维有限元原始模型增加考虑了纵向侧面的散热(主要为空腔纵向散热),使得受火侧组合板升温快于二维模型,背火侧组合板慢于二维模型;组合构件纵向温度场分布呈现跨中温度高,两侧温度低的现象。距离跨中截面越近,沿构件纵向的温度变化越小;距离跨中截面越远,沿构件纵向的温度变化越大。将二维等效简化方法及等效导热系数计算公式用于三维等效简化模型的建立,并与试验结果进行对比。结果表明,二者结果较为吻合,说明该等效简化方法可适用于三维;等效简化方法及导热系数计算公式用于受火侧组合板相同的其他构件时,其结果存在一定误差,但耐火时间小于试验结果,偏于安全。在计算时间上,以构件G-3-1为例,三维等效简化模型耗时10小时06分,三维有限元原始模型耗时38小时20分钟,即三维等效简化模型计算效率显著提高。本文主要创新点:(1)基于课题组轻钢组合构件的试验结果,提出石膏板、岩棉、硅酸铝棉等板材的脱落/失效准侧。(2)提出以热传导作用等效空腔对流作用的思路,并推导出相应的等效导热系数计算公式,进而在轻钢组合构件二维有限元精细模型基础上,建立能够同时考虑空腔热对流、热辐射和热传导作用的二维等效简化模型,并最终推广至三维等效简化模型。(3)通过三维有限元精细模型和三维等效简化模型研究轻钢组合构件的纵向温度场分布。