预应力张弦梁结构抗火性能与防火设计方法研究

Beam string structure is widely used in large span steel structure buildings. Beam string structure is generally more temperature-sensitive than most steel structures such as steel frame for the reseans that the mechanical properties of prestress cable in fire decreases more significantly than that of hot finished steel, and the prestress of cable has a great loss due to expansion of steel. However, very little work is been done on study on fire safety of beam string structure up to now. To this end, this project will conduct a series of experiments on mechanical and expansion properties of prestress cable, fire resistance capacity of cable anchor connections, and fire resistant behavior of beam string structure in fire. According to these tests, the strength and expansion of cable, capacity of cable anchor connection at elevated temperature will be developed. Moreover, FEM numerical simulation and analytical method will be employed to study the structural behavior of beam string structure in fire. Finally, the calculation and design methods of fire safety for beam string structure will be proposed.

预应力张弦梁结构是工程常用的大跨度结构形式。由于火灾下钢材性能退化和热膨胀导致拉索预应力严重损失、拉索锚固节点铸体材料（低熔点锌铜合金、环氧树脂）熔点低等不利因素影响，张弦梁结构抗火性能远比普通钢结构差，但目前国内外对此研究很少。为此，本项目拟采用试验和有限元理论、基于极限平衡状态的温度增量迭代分析法相结合的研究方法，从材料、节点、构件、结构层次对预应力张弦梁结构抗火关键技术问题开展系统研究，揭示火灾作用对索体材料力学物理性能、索体锚固节点受力性能、预应力张弦梁受力性能的影响规律，建立索体材料的热膨胀系数、强度、弹性模量与温度之间关系模型以及高温应力-应变本构关系模型，建立火灾下索体升温及预拉力损失简化计算方法、索体锚固节点防火设计方法、张弦梁抗火承载力实用计算方法，提出预应力张弦梁抗火安全准则，系统地解决预应力张弦梁抗火分析及防火设计问题，为工程设计及规范编制提供依据。

预应力张弦梁结构是由刚性上弦、预应力拉索及腹杆连接形成的混合杂交自平衡结构体系，结构受力合理，自重轻，近年来广泛应用于大跨结构屋盖体系中。然而，由于结构中存在预应力，拉索锚固节点铸体材料熔点低，且高温下预应力索体强度退化更为严重等因素，张弦梁结构抗火性能比普通结构钢更差。但是，国内外对于预应力张弦梁结构抗火研究很少，在工程实践中按普通钢结构进行抗火设计，造成极大的安全隐患。.本项目通过试验研究、理论分析，从材料、节点、构件、结构层次对预应力张弦梁结构抗火关键技术问题开展了较为的系统研究：1）对1860MPa级钢丝进行了高温热膨胀系数试验研究，揭示了温度对热膨胀系数的影响，建立了高温热膨胀系数拟合公式；2）对1860MPa级钢绞线、1860MPa级预应力钢丝等进行了高温稳态拉伸试验研究，建立屈服强度、极限强度、弹性模量与温度之间的关系模型、以及高温应力-应变本构关系模型，给出了抗火设计强度指标取值；3）对预应力索进行了高温应力损失试验研究，研究了不同温度、不同初始应力下的应力损失规律，提出预应力索高温应力损失理论算法；4）研究提出了5种预应力索体防火保护方法，并通过标准火灾升温试验，对方法有效性、可行性进行了验证；5）对钢绞线-热铸锚锚固节点进行了耐火性能试验研究，建立了锚固节点高温承载力计算公式；6）对预应力张弦梁进行了抗火试验，研究了火灾全过程中索体内力、张弦梁变形、温度分布随时间的变化规律，以及初始预应力水平、荷载比、火灾升温曲线对张弦梁抗火性能的影响，揭示了破坏模式与破坏机理；7）对预应力张弦梁进行了有限元数值参数分析，重点研究了初始预应力比、荷载比、受火条件等因素对张弦梁抗火性能的影响；进而提出了预应力张弦梁抗火安全判定准则、抗火承载力实用计算方法以及防火设计方法。本项目研究结果对预应力张弦梁结构抗火设计具有理论意义和应用价值，对于预应力钢结构抗火研究也具有参考意义。