钢结构火灾行为相似理论、试验方法及应用研究

For the fire safety of high-rise steel structures, two substructure analysis models taking the influence of the whole structures into consideration were proposed and developed, and the fire tests investigation on the corresponding substructure models were carried out. Furthermore, a method of analyzing and calculating fire resistance of the corresponding substructure models were developed. Base on the fine finite element models of the substructures, the element fire resistance, structural collapse mechanism of whole strucrues under local fire, and the effect rules of all kinds of parameteres are investigated. A simple collapse analysis method for substructures and whole structures under fire were also developed, which can be used to evaluate the fire resistance and collapse possibility of high-rise steel strucures under local fire.. The project takes fire response similarity theory and method of structures under fire as the research target, and the steel structure as the analysis object. Based on the similarity conditions analysis of heat conduction of steel structure under fire and structure parameters of geometric similarity, and overall structure and indoor fire model, the corresponding similarity theory is established and verified through scale fire tests of steel structure model with different similarity parameters. The results of the project can provide reference for scale testing method and real fire response analysis method of building steel structure under fire.

针对多高层钢结构的火灾安全，通过整体结构的火灾反应规律分析，提出了两个能考虑整体高层结构影响的子结构模型，并进行了相应子结构模型的耐火试验研究，提出了子结构耐火极限的计算方法；结合精细化的数值方法，对考虑整体结构影响的构件耐火性能、局部火灾引起整体结构的破坏机理及各种因素的影响规律等问题进行了研究，提出了基于子结构模型的火灾下钢结构破坏倒塌的简化分析方法。. 本项目拟进一步以建筑结构火灾反应相似理论为主要研究目标，以钢框架结构为研究对象，基于钢结构几何相似性以及结构火灾反应相似性，研究结构模型与火灾模型的相似条件以及相关参数的相似规律，建立建筑结构缩尺火灾试验方法与评价方法，并将相似理论与试验方法用于大型复杂结构的耐火性能研究，从而推动建筑结构火灾试验技术的发展以及大型复杂结构的耐火性能研究。

建筑结构火灾反应以及建筑火灾发展是高度非线性过程，采用流体动力学理论及有限元数值方法是目前可模拟此过程的有效方法，然而，由于建筑火灾自身的复杂性、火灾与结构相互作用的复杂性，以及缺少试验数据的验证，所以可能导致错误的模拟结果。另外，足尺火灾试验可以反映建筑结构真实火灾行为，但其昂贵费用以及试验室设备条件的限制，使得足尺试验方法难以普遍应用，而采用结构火灾缩尺模型试验方法可能为此提供一有效途径。本项目以结构火灾反应相似理论与方法为研究目标，以钢结构为分析对象，基于钢结构热传导分析的火灾反应相似条件及结构几何相似参数，研究了整体结构以及室内火灾相似模型与参数，建立了结构火灾反应相似理论与模型，并通过不同相似参数的钢结构缩尺模型进行缩尺火灾试验进行分析与验证。.本项目的主要完成：1）采用场模型模拟软件FDS 对不同控制参数的火灾场景分析统计不同缩尺模型的火灾发展规律；2）通过对火场的相似理论以及结构的火灾反应相似理论进行研究，分别建立了火场及结构的相似理论模型；3）采用缩尺模型试验验证了火场相似理论和结构火灾反应相似理论模型；4）建立了中柱初始破坏引起整体结构倒塌的简化分析模型，并建立了基于能量的简化计算方法；5）建立了火场模型与结构模型的联合分析方法，提出了结构火场的时空三维模型，并根据结构中的梁柱构件及楼板构件建立了具体的温度与热对流边界的时空三维模型。本项目的研究成果可以为研究建筑钢结构耐火性能的缩尺试验方法以及结构真实火灾反应提供分析方法和参考依据。