喷水急速冷却下火灾高温钢框架结构动力学响应研究

This project aims to study on the dynamical response mechanism of massive steel frame structure at high temperature in a fire during fire fighting water was cooling the structure, and use multi-performance experimental setup of building safety and calamity prevention, standard strain force measuring method, high-temperature laser measuring shifting technique, automatic water spraying fire fighting technique, infrared imaging technique, high-speed schlieren method. The experiment will be conducted by regularly changing the initial temperature of the massive steel structure, the thickness of fire-resistance, the initial temperature of cooling spraying water, the flow of spraying water, the fineness of water drop, the spraying angle of water nozzle, independent or simultaneously applying horizontal and vertical loads on the steel frame structure, and study on the dynamic parameters of stress-strain-bending moment of the whole structure, beams and columns for a bolt-weld hybrid junction 3 layer-3 stride massive steel frame structure, and setup the effects and damage speed-up mutation and the critical condition by the coupling parameters and detail heat-force-sharply cooling mechanisms for the theoretical model of massive steel frame structure at high temperature in a fire and sharply cooling by spraying water. On the basis of the above, developing the inhibitory and evaluation methods on damage speed-up mutation during heat-force-sharply cooling simultaneous action on the massive steel frame structure, the dynamical coupling mechanisms heat-force-sharply cooling will be revealed. The present study can provide theoretical and technical support for massive steel frame structure safety and engineering applications.

利用建筑安全与防灾多功能实验平台，采用应变标准测力技术、高温物体激光位移测试技术、水喷淋灭火技术、红外热像技术、纹影摄像技术等测量手段，通过有规律地改变钢框架结构初始温度分布、防火涂层厚度、喷水初温、喷水量和雾化细度、降温速率、冷却位置、单独或同时施加水平载荷和垂直载荷大小和分布、梁与柱端部约束刚度等，研究栓焊混合连接三榀三跨钢框架整体结构、梁、柱及楼板的轴力-应力-应变-弯矩等动力学参数变化规律；建立耦合多参数和详细热-力-快冷耦合机理的喷淋水作用下火灾高温钢框架结构受力、变形和变形加速突变理论模型，研究高温钢框架结构在喷水和火灾高温共同作用下关键构件和节点损伤对整体结构轴力-应力-应变-弯矩等动力学参数的影响及受力、变形和变形加速突变规律和临界条件。在此基础上，发展耦合热-力-快速冷却作用钢框架结构变形加速突变抑制和评价方法，揭示抑制动力学机理，为钢框架结构安全使用提供理论和技术支撑。

近年来我国高层钢结构建筑的飞速发展，这些钢结构建筑一旦发生火灾而在高温下又受到消防水的急速冷却作用时会产生很大的冲击应力，强大的冲击应力势必对建筑结构产生很大的破坏效应。本项目主要通过对不同结构形式（单层单跨、两层双跨和三层三跨）的高温钢结构在受到局部消防水冷却过程的受力、变形和破坏过程的动力学响应特性进行理论分析、计算机模拟和实验的详细分析和验证，从而得到在不同的结构形式和冷却初温、冷却位置，以及冷却速率、冷却水温度、冷却水量等条件下空间高温钢结构在冷却过程的受力水平、变形特性和规律进行详细的研究。通过研究表明：①对于多层多跨的钢结构建筑，在高温钢结构受到喷淋水的急速冷却过程中，即使冷却的是梁，但受力和变形变化最大的仍是靠近冷却部位的受限中间柱，其破坏程度也最严重且也是最先由于破坏而失效，而非边缘的柱或梁，其也不同于升温过程的变化主要在梁且首先破坏的是梁；而且对于中承载间柱的受限程度越大，产生的应力和变形程度也越大，破坏程度也越严重，且冷却过程梁和柱的应力水平要远大于升温过程，并很快就超过其承载极限而发生毫无征兆的破坏或垮塌。因此，冷却过程的高温钢结构建筑的危险性要远大于其升温过程，这也正是很多钢结构建筑火灾时的消防灭火而导致其发生垮塌的真正原因。②冷却水量、冷却速率和冷却水温对空间高温钢结构的受力和变形影响不大；但是，当冷却水温低于5℃时对高温受限钢结构产生的冲击效应要远大于6℃以上冷却水对高温钢结构的冲击效应，且在冷却过程中，高温钢结构会很快脆性拉伸断裂而失效；③温度低于500℃时，喷水急速冷却对高温钢结构产生的冲击效应相对较小，温度高于550℃时，喷水急速冷却对高温钢结构产生的冲击效应随钢结构初始冷却温度的上升而急剧增加，其极限承载力急剧降低，抗火时间也急剧下降。通过本项目的研究，可以清楚地得到高温钢结构在消防冷却水的急速冷却下的动力学响应规律，从而防止在不当消防冷却水急速冷却过程而对结构产生过大的破坏，可以有效地为钢结构建筑的性能化防火设计提供坚实的理论和技术支撑。