大跨度索张拉预应力钢结构火灾响应全程分析与失效机制研究

大跨度预应力钢结构被广泛用于国内外重大公共建筑（如慕尼黑奥运会建筑群、国家体育馆及上海世博会主题馆等），但该类结构一旦遭遇火灾，其失效模式和倒塌机制尚不清楚，对开展合理的抗火设计及火灾后的安全性评估与修复造成困难。本项目以索-杆-梁（桁架）构成的大跨度预应力钢结构体系为研究对象，拟开展如下研究：（1）大跨度索张拉预应力钢结构真实火灾温度场及其结构火灾响应全过程仿真研究；（2）钢材性能及高强钢索在真实火灾下的响应特性研究；（3）基于真实火灾场景的索张拉预应力钢结构的失效模式与失效机制研究。特别指出的是，项目组已研发出一种可用于足尺张拉钢索火灾行为研究的新的试验方法，利用该方法能够研究实际张拉钢索在遭遇火灾时的真实响应，并可分析相关因素的影响规律。该项目的完成不仅有助于明确索张拉预应力钢结构火灾下的失效机制并完善火灾响应分析模型，也可为该类结构的抗火设计及火灾后的安全性评估与修复提供科学依据。

预应力钢结构因其自身特点和优势被广泛用于各种大跨度屋盖，但目前对该类结构的抗火性能研究较少，对其开展科学的防火设计和火灾后修复产生不利影响。本项目以索张拉预应力钢结构为研究对象，从如下四个方面对其抗火性能进行了试验研究、数值模拟分析和理论建模分析、并取得一些重要成果。. （1）开展了空间预应力钢桁架火灾行为全过程响应试验研究。. 对一组不锈钢索张拉预应力钢桁架进行了火灾下全过程试验研究，考察了受火温度、结构刚度、张拉方式、荷载大小等因素对其力学性能和承载能力的影响。研究结果表明，由304不锈钢管制成的预应力空间桁架具有较高的抗火能力和较强的变形能力，结构破坏的主要形式为整体失稳，其主要原因在于火灾条件下高强钢索的松弛及预应力损失。火灾后试验结果表明，对于刚度较大的结构，张拉次数及最高受火温度对预应力不锈钢桁架的火灾后弹性极限荷载几乎无影响。. （2）完成了空间预应力钢结构火灾响应及抗火性能的数值模拟分析。. 对一组索张拉空间预应力钢桁架在不同火灾条件下的火灾响应进行了数值模拟分析，并讨论了预应力值、受火温度、荷载大小、桁架高度等因素的影响规律。结合抗火规范中的实用大空间空气升温公式，对一种新型的预应力柱面弦支网壳结构在多种情况下的抗火性能进行了模拟对比分析，包括构件在火场中的升温特点，以及不同火源位置、不同空间高度和不同矢跨比时结构的火灾行为和受力机理，并讨论了极限温度状态下该种网壳的破坏形态，得到一系列对相关结构抗火设计有一定参考价值的结论。. （3）建立了索张拉预应力钢结构火灾响应普遍分析模型。 .基于火灾下一般结构响应机理，即结构整体响应源于材料性能的变化及结构的热膨胀之综合效应，但二者又通过位移相耦合，建立了具有任意连接任意布索预应力钢结构火灾响应的普遍模型。利用该普遍模型编制了Fortran 程序，并讨论了相关参数的影响，其中杆件的任意连接通过半刚性连接特征予以考虑。. （4）通过系列试验和数学拟合，建立了三种金属材料的高温力学性能指标表达式及高温本构模型。