高層建筑鋼結構抗火極限狀態(tài)分析理論研究中文摘要

經過三年的研究，取得下列研究成果：（1）系統(tǒng)研究總結了高溫下結構鋼的材料特性和火災下鋼結構構件的溫度計算方法；（2）提出了與我國現行鋼結構設計規(guī)范相適應的鋼梁，軸壓和偏壓鋼柱的實用抗火計算與設計方法；（3）提出了局部火災下上翼無側移鋼框架梁的極限狀態(tài)，驗算方法；（4）進行了三相兩跨鋼框架模型的抗火試驗研究，了解了鋼框架結構在火災下的性能與變表、破壞特征；（5）提出了鋼框架結構火災非線性反應與抗火極限狀態(tài)分析理論。經上海市科委組織專家鑒定，認為本項目成果達到國際先進水平，解決了高層建筑鋼結構抗火計算與設計的理論問題，對提高我國高層鋼結構抗火設計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工業(yè)總公司采納與應用。 2100433B

結構可靠度分析建立的結構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)對應于結構或結構構件達到最大承載能力或出現不適于繼續(xù)承載的變形；正常使用極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值；條件極限狀態(tài)也稱破壞－安全極限狀態(tài)，對應于已局部出現破壞的結構的最大承載能力。

結構的極限狀態(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，是指結構上各種作用或作用效應、材料性能、幾何參數等.

其中，結構的功能函數或功效函數為：

------------（2）式

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

------------（3）式

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

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

結構在火災下行為反應本質是溫度升高、能量轉移引起局部破壞與內力重分布，并因此擴散蔓延最終導致結構主體破壞。不銹鋼是一種新型土木工程材料，鑒于其結構抗火性能較為薄弱，本項目立足于工程結構抗火研究的前沿與熱點問題，以不銹鋼結構為研究對象，對其抗火性能開展基礎性和前瞻性的研究。通過試驗方法和數值分析，研究不銹鋼材料力學性能隨溫度變化規(guī)律，構建高溫下/高溫后不銹鋼材料精細化力學性能統(tǒng)一模型；開展不銹鋼梁/柱火災試驗，模擬構件火災全過程，揭示其火災下行為反應與破壞機理，根據位移/能量原則提出火災下構件失效判別準則；剖析不銹鋼梁/柱抗火性能的多種影響因素及相關性，采用直接強度法，建立面向火災全過程的不銹鋼梁/柱多參數化抗火計算模型；研究火災下不銹鋼結構破壞模式控制措施和安全評價方法，集成不銹鋼結構抗火設計理論。研究成果對于揭示不銹鋼結構抗火性能和制定相關設計標準具有十分重要的社會價值和理論價值。

不銹鋼作為建筑結構材料，具有造型美觀、耐腐蝕性好、易于維護和全生命周期成本低等優(yōu)點，因此其在建筑結構中具有廣闊的適用性，采用不銹鋼作為建筑結構材料是近年來土木工程的新趨勢，受到眾多建筑師和結構工程師的青睞。鑒于不銹鋼材料自身抗火性能的羸弱，本項目立足于工程結構抗火研究的前沿與熱點問題，以不銹鋼結構為研究對象，對其抗火性能開展基礎性和前瞻性的研究?；诜€(wěn)態(tài)試驗方法和瞬態(tài)試驗方法，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性能試驗研究，獲取了高溫下不銹鋼材料的各項力學性能參數；試驗結果表明：兩種試驗方法獲得的高溫下不銹鋼材料應力-應變曲線存在一定差異；在溫度600℃內，差異不明顯；當溫度超過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性能隨溫度變化規(guī)律，構建了高溫下和高溫后不銹鋼材料力學性能本構模型。對不同截面和不同條件下不銹鋼構件（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）開展了火災試驗，揭示火災作用下構件的行為反應與破壞機理，給出了試驗試件的破壞現象、升溫曲線、變形曲線以及臨界溫度，重點考察了荷載比、約束剛度和截面參數等對不銹鋼構件抗火性能的影響?；谠囼灲Y果，通過程序模擬再現不銹鋼構件火災全過程；結合構件熱邊界條件和材料熱工參數，構建了火災下不銹鋼構件內部溫度分布模型；剖析構件抗火性能的多種影響因素及相關性，建立了面向火災全過程的不銹鋼構件多參數化抗火計算模型，提出了不銹鋼構件的抗火設計理論。開展了7根不銹鋼節(jié)點試驗研究，探討防止火災下不銹鋼結構破壞模式的控制措施，初步實現對結構火災安全的綜合評價。項目研究成果對不銹鋼結構抗火設計理論的凝練、設計建議與構造措施的提出，及設計標準的制定具有十分重要的社會價值和理論價值，且可填補我國不銹鋼結構抗火設計方法的空白。 2100433B