火災(zāi)及爆炸共同作用下約束鋼梁的力學(xué)性能項目摘要

爆炸往往伴隨著火災(zāi)，而火災(zāi)有時也會引起爆炸，研究鋼結(jié)構(gòu)在爆炸和火災(zāi)聯(lián)合作用下的力學(xué)性能具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本項目擬對不同約束條件下工字鋼梁在高溫下的抗沖擊性能進(jìn)行研究，包括理論分析、試驗研究、計算機模擬以及參數(shù)討論。通過對鋼材進(jìn)行高溫下不同應(yīng)變率的沖擊試驗，研究鋼材在高溫、高應(yīng)變率下的力學(xué)性能，并擬合材性模型，確定相關(guān)參數(shù)，得到鋼材的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等參數(shù)之間的關(guān)系，將其應(yīng)用到火災(zāi)和爆炸下的結(jié)構(gòu)分析。應(yīng)用給定的燃?xì)獗ê奢d模型，研究鋼梁在火災(zāi)和爆炸共同作用下的動力響應(yīng)及破壞形態(tài)，考慮梁端約束情況包括軸向約束剛度、轉(zhuǎn)動約束剛度的影響，推導(dǎo)復(fù)雜條件下單元剛度方程，編制有限元程序，計算不同溫度下約束鋼梁的抗沖擊性能。通過參數(shù)分析，得到不同約束條件下工字鋼梁極限溫度和沖擊荷載之間的關(guān)系，給出約束鋼梁高溫下抗沖擊性能的計算方法。研究成果可為鋼框架結(jié)構(gòu)整體抗火、抗爆性能研究提供基礎(chǔ)。

本項目的成果包括：通過Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)試驗，研究了建筑結(jié)構(gòu)用鋼在高溫條件下的動態(tài)力學(xué)行為，并建立了一種新的鋼材高溫-粘塑性本構(gòu)模型，該模型與試驗結(jié)果的擬合效果較好；在新提出本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，基于三種不同單元(平面Timoshenko剪切梁單元、三維纖維梁單元、九節(jié)點Mindlin板單元)，建立了三個可用于分析火災(zāi)-爆炸共同作用下約束鋼梁力學(xué)響應(yīng)的非線性數(shù)值模型(使用Fortran編程)，并模擬了若干火災(zāi)及爆炸試驗過程，效果良好；使用建立的數(shù)值模型并結(jié)合現(xiàn)有的商業(yè)通用有限元軟件進(jìn)行了大量參數(shù)分析，總結(jié)了梁在火災(zāi)-爆炸共同作用條件下的破壞模式，以及軸向約束剛度、爆炸載荷特征、火災(zāi)升溫路徑等因素對梁響應(yīng)結(jié)果的影響；提出了一種簡化的梁在火災(zāi)-爆炸共同作用條件下響應(yīng)的計算方法。鋼材的高溫動態(tài)沖擊試驗結(jié)果表明，動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)使兩種鋼材表現(xiàn)出明顯的“反?！毙袨?，當(dāng)溫度超過400℃時，鋼材的流動應(yīng)力表現(xiàn)出溫度強化以及應(yīng)變率軟化效應(yīng)，同時可以明顯觀察到材料硬化率的提高。而參數(shù)分析表明，若僅考慮鋼梁在火災(zāi)升溫過程中的材料軟化及撓曲變形造成的幾何非線性效應(yīng)，而不考慮梁截面畸變影響，先爆炸、后火災(zāi)或先火災(zāi)、后爆炸，這兩種加載方式對鋼梁的影響主要集中于殘余撓度的差異上，對梁其它性能的影響較小。當(dāng)考慮加載過程中梁截面的畸變，爆炸(尤其沿梁平面外方向加載)可明顯改變梁截面的抗彎剛度，從而使爆炸后梁的火災(zāi)行為與使用梁單元分析的結(jié)果產(chǎn)生大的差異。爆炸施加的角度影響梁的火災(zāi)-爆炸行為，沿梁負(fù)撓曲方向加載的爆炸作用，可使梁形成反拱，同時熱膨脹導(dǎo)致梁軸力的增大，這有利于梁抗火性能的提高。分析結(jié)果還表明，當(dāng)梁截面各分肢具有合理的高厚比或?qū)捄癖葧r，可以保證梁較好的延性，而延性越好，梁在火災(zāi)-爆炸共同作用下將具有相對小的損傷。 2100433B

本項目針對爆炸沖擊荷載造成的結(jié)構(gòu)局部損傷與破壞將顯著降低鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的現(xiàn)象，擬采取理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)開展爆炸與其次生災(zāi)害-火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)的損傷破壞與連續(xù)倒塌分析研究，以鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和典型鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，通過研究爆炸與火災(zāi)作用下鋼結(jié)構(gòu)損傷破壞的相關(guān)性，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞分析方法；通過研究爆炸后火災(zāi)作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞規(guī)律，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度評估方法；通過研究爆炸后火災(zāi)作用下溫度環(huán)境的時空變化規(guī)律，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析與倒塌時間預(yù)測方法。為日益廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)和分析手段，因而具有重要的理論意義和工程價值。

本書針對火災(zāi)和爆炸聯(lián)合作用下輕鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌機理及防護(hù)措施進(jìn)行了初步研究。通過建立新的鋼材本構(gòu)關(guān)系用來綜合考慮高溫軟化效應(yīng)與高速應(yīng)變率效應(yīng)，建立了火災(zāi)和爆炸荷載聯(lián)合作用下輕鋼柱損傷評估方法，開展了輕鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌過程及機理的研究。

我國經(jīng)濟繁榮、社會穩(wěn)定，但由于世界形勢復(fù)雜多變、地區(qū)間貧富差距，社會矛盾依然存在，我國依然面臨著潛在的人為恐怖襲擊爆炸威脅。爆炸發(fā)生后將導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；與此同時，爆炸會引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害。對于鋼結(jié)構(gòu)建筑，火災(zāi)是最具有破壞效應(yīng)的特殊作用之一，爆炸及爆炸后引起的火災(zāi)將進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的破壞，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，給人民生命及財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。研究爆炸和火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)的損傷機理及連續(xù)倒塌具有重要意義。 本項目對鋼構(gòu)件在爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下的損傷破壞模式與鋼結(jié)構(gòu)倒塌機理進(jìn)行研究，取得成果如下： （1）爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下的荷載模型。通過對室內(nèi)爆炸及爆炸后火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的研究，以我國典型民用建筑為研究對象，采用數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)的方法建立了室內(nèi)爆炸荷載模型、爆炸后建筑內(nèi)部火災(zāi)溫度模型，以及作用于構(gòu)件的荷載模型，為進(jìn)一步研究鋼構(gòu)件在爆炸火災(zāi)下的損傷破壞奠定基礎(chǔ)。 （2）爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷評估。通過對鋼材在高應(yīng)變率、高溫下?lián)p傷演化規(guī)律的研究，提出一種基于連續(xù)損傷力學(xué)理論和微觀空隙發(fā)展理論的損傷模型，并將其引入鋼材本構(gòu)模型中，建立了爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼柱損傷破壞分析方法；通過對不同截面尺寸、不同高度鋼柱的參數(shù)分析，研究了爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼柱的失效模式，采用公式擬合的方法建立了爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼柱損傷評估的P-I-t曲面; 通過對鋼柱在爆炸下響應(yīng)規(guī)律的研究，提出一種鋼柱在爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下的快速損傷評估方法，采用公式擬合的方法得到爆炸荷載下鋼柱的整體變形與局部變形，并作為初始條件引入抗火分析。該研究成果可應(yīng)用于任意截面鋼柱在爆炸與火災(zāi)下的初步損傷評估。 （3）爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌高效分析模型與方法。通過對倒塌過程中鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力特征的分析，提出一種考慮軸力-彎矩耦合效應(yīng)的節(jié)點模型，進(jìn)而建立應(yīng)用于連續(xù)倒塌分析的鋼框架結(jié)構(gòu)高效數(shù)值分析模型；參照國外相關(guān)規(guī)范，提出了結(jié)構(gòu)在同一樓層內(nèi)及不同樓層間的容許倒塌范圍，進(jìn)而建立子結(jié)構(gòu)的選取原則，提出了一種基于子結(jié)構(gòu)法的鋼框架結(jié)構(gòu)快速損傷評估方法；在上述研究基礎(chǔ)上，提出了鋼框架結(jié)構(gòu)在爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下連續(xù)倒塌的分析方法，通過大量參數(shù)分析，建立了結(jié)構(gòu)抗火時間與炸藥當(dāng)量的關(guān)系，研究了鋼框架結(jié)構(gòu)爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下的倒塌機制。該成果可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在爆炸與火災(zāi)作用下的快速抗倒塌評估。 2100433B