基于实际火灾全过程的大空间钢结构抗火性能试验研究及理论分析

基于实际火灾全过程的大空间钢结构抗火性能试验研究及理论
分析
大空间钢结构因具有造型丰富、内部空间巨大等优点而被广泛应用于体育场馆、会议展览中心、火车站、机场、商场、工业厂房及仓储设施等,是近年来发展最快的建筑结构形式之一。

相应,该类结构的抗火性能和抗火设计方法也成为国内外学者关注的热点问题之一。

当大空间建筑发生火灾时,其火灾特性与普通室内火灾有显著不同。

因此,
传统的基于标准火灾的抗火设计方法已经不适合大空间钢结构,而基于性能化的抗火设计方法则是一个较好的解决方案。

目前,国内外对大空间钢结构性能化抗火设计的研究已经取得了一定的进展,但总体而言还处于初级阶段,尚未有较为系统详细的大空间钢结构抗火设计方法。

论文基于性能化抗火设计的思想,采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法,对实际火灾全过程中大空间建筑内部空间温度场的分布与发展规律、钢构件的升降温计算方法、大空间钢结构整体抗火性能和抗火设计方法进行研究,主要研究内容及取得的主要成果如下：(1)通过对比研究国内外相关文献,系统总结了大空间建筑火灾荷载和火源热释放速率的确定方法,并给出火灾蔓延与轰燃的判定条件和火源充分燃烧所需的最小开洞尺寸。

(2)参考常温下钢结构直接分析方法和已有研究成果,提出对实际火灾作用
下大空间钢结构的抗火性能进行直接分析的方法和研究步骤。

直接分析方法能够直接对火灾下整体结构及构件的承载能力和破坏模式进行分析,无需计算构件的计算长度,提高了结构抗火性能分析的科学性和效率。

(3)设计建造了一个长12.5m、宽6m、檐口高2.25m、屋面坡度为1/10的缩
尺(1：4)门式刚架整体结构抗火试验模型,火源采用柴油油池火,在试验模型内外开展了5次火灾试验。

通过试验对不同场景下火源及烟气的发展、火羽流中心线温度分布、室内空间和构件温度场、火焰辐射作用以及整体结构的力学响应进行研究。

试验结果表明：在局部火灾作用下,由于结构体系的整体作用,火灾全过程及火灾后没有发生结构倒塌现象,整体结构处于安全状态。

之后,采用FDS对室内火灾发展全过程进行仿真模拟,并利用ANSYS分别建立一榀刚架和三维整体结模型对试验结构进行直接分析,以探寻和验证合理的建模与分析方法。

(4)对不同的经典轴对称羽流模型进行对比分析和拓展,并在试验研究的基础上提出大空间局部火灾羽流中心线温度计算模型。

采用该计算模型可以对大空间钢结构关键构件的抗火性能进行快速判定,从而对那些在火灾中处于安全状态的结构可免去进行复杂的火灾模拟和整体结构抗火性能分析。

(5)结合理论分析和试验研究的结果,分别针对《建筑钢结构防火技术规范》(CECS200)和欧洲规范EC3给出大空间实际火灾作用下构件升降温计算方法。

该方法针对实际火灾升降温过程中火焰和热烟气层范围内以及热烟气层以下区域的构件温度发展变化给出不同的计算公式和相关参数取值,计算结果与试验数据吻合较好。

(6)在考虑火灾蔓延和烟气排放的基础上,通过对某门式刚架厂房和某扁平单层柱面网壳建筑等两个典型案例进行火灾仿真模拟和结构抗火直接分析,研究了火灾全过程中建筑内部空间温度场分布规律和结构的受力特性,给出了抗火设计建议。

同时,综合案例研究和前文的理论分析及试验研究的成果提出了改进的大空间钢结构性能化抗火设计方法。