火灾下不锈钢结构行为反应与抗火设计理论研究

The essence of the behavior response of structure in fire is the destruction of the main structure due to the spread of local failures and internal force redistributions, which are caused by energy transfer and temperature rise. Stainless steel is a kind of new materials in civil engineering. As regard to its weakness in fire resistance, based on the front and main focus in the field of structural fire resistance, this project aims to conduct fundamental and prospective researches on the fire-resistance performance of stainless steel structure. First this project will study the change law with temperature of the mechanical properties of stainless steel, and build up its refined and unified material model in/after high temperature by the methods of test and numerical analysis. Furthermore, according to the simulation of the real process of fire, the behavior response and damage mechanism of stainless steel beams/columns in fire can be revealed, and their failure criterion can be proposed on the basis of the displacement/energy principle. Analyzing the influence factors of fire-resistance performance of stainless steel beams/columns and their correlations, this project will build up the multi-parametric fire-resistance calculation model of stainless steel beams/columns for the whole process of fire by direct strength method. Eventually, this project will study the control measures of the failure modes of stainless steel structure and its safety evaluation method, and then integrate the fire-resistance design theories of stainless steel structure. In general, the research results are of great social and theoretical value to revealing the fire-resistance performance of stainless steel structure, and establishing relevant design standards.

结构在火灾下行为反应本质是温度升高、能量转移引起局部破坏与内力重分布，并因此扩散蔓延最终导致结构主体破坏。不锈钢是一种新型土木工程材料，鉴于其结构抗火性能较为薄弱，本项目立足于工程结构抗火研究的前沿与热点问题，以不锈钢结构为研究对象，对其抗火性能开展基础性和前瞻性的研究。通过试验方法和数值分析，研究不锈钢材料力学性能随温度变化规律，构建高温下/高温后不锈钢材料精细化力学性能统一模型；开展不锈钢梁/柱火灾试验，模拟构件火灾全过程，揭示其火灾下行为反应与破坏机理，根据位移/能量原则提出火灾下构件失效判别准则；剖析不锈钢梁/柱抗火性能的多种影响因素及相关性，采用直接强度法，建立面向火灾全过程的不锈钢梁/柱多参数化抗火计算模型；研究火灾下不锈钢结构破坏模式控制措施和安全评价方法，集成不锈钢结构抗火设计理论。研究成果对于揭示不锈钢结构抗火性能和制定相关设计标准具有十分重要的社会价值和理论价值。

不锈钢作为建筑结构材料，具有造型美观、耐腐蚀性好、易于维护和全生命周期成本低等优点，因此其在建筑结构中具有广阔的适用性，采用不锈钢作为建筑结构材料是近年来土木工程的新趋势，受到众多建筑师和结构工程师的青睐。鉴于不锈钢材料自身抗火性能的羸弱，本项目立足于工程结构抗火研究的前沿与热点问题，以不锈钢结构为研究对象，对其抗火性能开展基础性和前瞻性的研究。基于稳态试验方法和瞬态试验方法，对S30408奥氏体不锈钢材料开展了常温下、高温下和高温冷却后的力学性能试验研究，获取了高温下不锈钢材料的各项力学性能参数；试验结果表明：两种试验方法获得的高温下不锈钢材料应力-应变曲线存在一定差异；在温度600℃内，差异不明显；当温度超过600℃时，差异随温度升高而逐渐增大；研究分析了不锈钢材料力学性能随温度变化规律，构建了高温下和高温后不锈钢材料力学性能本构模型。对不同截面和不同条件下不锈钢构件（8根无约束轴压与偏压柱、6根矩形管和7根H形截面带约束轴压柱、7根矩形截面带约束偏压柱、6根两端简支梁以及4根不锈钢组合梁）开展了火灾试验，揭示火灾作用下构件的行为反应与破坏机理，给出了试验试件的破坏现象、升温曲线、变形曲线以及临界温度，重点考察了荷载比、约束刚度和截面参数等对不锈钢构件抗火性能的影响。基于试验结果，通过程序模拟再现不锈钢构件火灾全过程；结合构件热边界条件和材料热工参数，构建了火灾下不锈钢构件内部温度分布模型；剖析构件抗火性能的多种影响因素及相关性，建立了面向火灾全过程的不锈钢构件多参数化抗火计算模型，提出了不锈钢构件的抗火设计理论。开展了7根不锈钢节点试验研究，探讨防止火灾下不锈钢结构破坏模式的控制措施，初步实现对结构火灾安全的综合评价。项目研究成果对不锈钢结构抗火设计理论的凝练、设计建议与构造措施的提出，及设计标准的制定具有十分重要的社会价值和理论价值，且可填补我国不锈钢结构抗火设计方法的空白。