高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火極限狀態(tài)分析理論研究基本信息

經(jīng)過三年的研究，取得下列研究成果：（1）系統(tǒng)研究總結(jié)了高溫下結(jié)構(gòu)鋼的材料特性和火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度計(jì)算方法；（2）提出了與我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相適應(yīng)的鋼梁，軸壓和偏壓鋼柱的實(shí)用抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)方法；（3）提出了局部火災(zāi)下上翼無側(cè)移鋼框架梁的極限狀態(tài)，驗(yàn)算方法；（4）進(jìn)行了三相兩跨鋼框架模型的抗火試驗(yàn)研究，了解了鋼框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的性能與變表、破壞特征；（5）提出了鋼框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)非線性反應(yīng)與抗火極限狀態(tài)分析理論。經(jīng)上海市科委組織專家鑒定，認(rèn)為本項(xiàng)目成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，解決了高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)的理論問題，對提高我國高層鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的水平與可靠度具有重要意義。研究成果已被中國石油化學(xué)工業(yè)總公司采納與應(yīng)用。 2100433B

結(jié)構(gòu)可靠度分析建立的結(jié)構(gòu)可靠與不可靠的界限，稱為極限狀態(tài)。

我國將極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)（包括條件極限狀態(tài)）和正常使用極限狀態(tài)兩類。

承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形；正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值；條件極限狀態(tài)也稱破壞－安全極限狀態(tài)，對應(yīng)于已局部出現(xiàn)破壞的結(jié)構(gòu)的最大承載能力。

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可用下列極限狀態(tài)方程描述：

------------（1）式

式中：xi （i=1,2,…,n）－基本變量，是指結(jié)構(gòu)上各種作用或作用效應(yīng)、材料性能、幾何參數(shù)等.

其中，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)或功效函數(shù)為：

------------（2）式

對于承載努力極限狀態(tài)，若令R為結(jié)構(gòu)抗力，S為作用綜合效應(yīng)，則（1）式可寫成：

------------（3）式

式中：Z > 0，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； Z < 0，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)； Z = 0，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

若Z的概率密度函數(shù)或概率分布函數(shù)都可求得，則出現(xiàn)各種狀態(tài)的概率就可求得。

結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下行為反應(yīng)本質(zhì)是溫度升高、能量轉(zhuǎn)移引起局部破壞與內(nèi)力重分布，并因此擴(kuò)散蔓延最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主體破壞。不銹鋼是一種新型土木工程材料，鑒于其結(jié)構(gòu)抗火性能較為薄弱，本項(xiàng)目立足于工程結(jié)構(gòu)抗火研究的前沿與熱點(diǎn)問題，以不銹鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，對其抗火性能開展基礎(chǔ)性和前瞻性的研究。通過試驗(yàn)方法和數(shù)值分析，研究不銹鋼材料力學(xué)性能隨溫度變化規(guī)律，構(gòu)建高溫下/高溫后不銹鋼材料精細(xì)化力學(xué)性能統(tǒng)一模型；開展不銹鋼梁/柱火災(zāi)試驗(yàn)，模擬構(gòu)件火災(zāi)全過程，揭示其火災(zāi)下行為反應(yīng)與破壞機(jī)理，根據(jù)位移/能量原則提出火災(zāi)下構(gòu)件失效判別準(zhǔn)則；剖析不銹鋼梁/柱抗火性能的多種影響因素及相關(guān)性，采用直接強(qiáng)度法，建立面向火災(zāi)全過程的不銹鋼梁/柱多參數(shù)化抗火計(jì)算模型；研究火災(zāi)下不銹鋼結(jié)構(gòu)破壞模式控制措施和安全評價方法，集成不銹鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)理論。研究成果對于揭示不銹鋼結(jié)構(gòu)抗火性能和制定相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具有十分重要的社會價值和理論價值。

不銹鋼作為建筑結(jié)構(gòu)材料，具有造型美觀、耐腐蝕性好、易于維護(hù)和全生命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此其在建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊的適用性，采用不銹鋼作為建筑結(jié)構(gòu)材料是近年來土木工程的新趨勢，受到眾多建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞。鑒于不銹鋼材料自身抗火性能的羸弱，本項(xiàng)目立足于工程結(jié)構(gòu)抗火研究的前沿與熱點(diǎn)問題，以不銹鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，對其抗火性能開展基礎(chǔ)性和前瞻性的研究。基于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法和瞬態(tài)試驗(yàn)方法，對S30408奧氏體不銹鋼材料開展了常溫下、高溫下和高溫冷卻后的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，獲取了高溫下不銹鋼材料的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)；試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種試驗(yàn)方法獲得的高溫下不銹鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一定差異；在溫度600℃內(nèi)，差異不明顯；當(dāng)溫度超過600℃時，差異隨溫度升高而逐漸增大；研究分析了不銹鋼材料力學(xué)性能隨溫度變化規(guī)律，構(gòu)建了高溫下和高溫后不銹鋼材料力學(xué)性能本構(gòu)模型。對不同截面和不同條件下不銹鋼構(gòu)件（8根無約束軸壓與偏壓柱、6根矩形管和7根H形截面帶約束軸壓柱、7根矩形截面帶約束偏壓柱、6根兩端簡支梁以及4根不銹鋼組合梁）開展了火災(zāi)試驗(yàn)，揭示火災(zāi)作用下構(gòu)件的行為反應(yīng)與破壞機(jī)理，給出了試驗(yàn)試件的破壞現(xiàn)象、升溫曲線、變形曲線以及臨界溫度，重點(diǎn)考察了荷載比、約束剛度和截面參數(shù)等對不銹鋼構(gòu)件抗火性能的影響?；谠囼?yàn)結(jié)果，通過程序模擬再現(xiàn)不銹鋼構(gòu)件火災(zāi)全過程；結(jié)合構(gòu)件熱邊界條件和材料熱工參數(shù)，構(gòu)建了火災(zāi)下不銹鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度分布模型；剖析構(gòu)件抗火性能的多種影響因素及相關(guān)性，建立了面向火災(zāi)全過程的不銹鋼構(gòu)件多參數(shù)化抗火計(jì)算模型，提出了不銹鋼構(gòu)件的抗火設(shè)計(jì)理論。開展了7根不銹鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，探討防止火災(zāi)下不銹鋼結(jié)構(gòu)破壞模式的控制措施，初步實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全的綜合評價。項(xiàng)目研究成果對不銹鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)理論的凝練、設(shè)計(jì)建議與構(gòu)造措施的提出，及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有十分重要的社會價值和理論價值，且可填補(bǔ)我國不銹鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的空白。 2100433B