火灾及爆炸共同作用下约束钢梁的力学性能

本项目的成果包括：通过Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)试验，研究了建筑结构用钢在高温条件下的动态力学行为，并建立了一种新的钢材高温-粘塑性本构模型，该模型与试验结果的拟合效果较好；在新提出本构方程的基础上，基于三种不同单元(平面Timoshenko剪切梁单元、三维纤维梁单元、九节点Mindlin板单元)，建立了三个可用于分析火灾-爆炸共同作用下约束钢梁力学响应的非线性数值模型(使用Fortran编程)，并模拟了若干火灾及爆炸试验过程，效果良好；使用建立的数值模型并结合现有的商业通用有限元软件进行了大量参数分析，总结了梁在火灾-爆炸共同作用条件下的破坏模式，以及轴向约束刚度、爆炸载荷特征、火灾升温路径等因素对梁响应结果的影响；提出了一种简化的梁在火灾-爆炸共同作用条件下响应的计算方法。钢材的高温动态冲击试验结果表明，动态应变时效(DSA)使两种钢材表现出明显的“反常”行为，当温度超过400℃时，钢材的流动应力表现出温度强化以及应变率软化效应，同时可以明显观察到材料硬化率的提高。而参数分析表明，若仅考虑钢梁在火灾升温过程中的材料软化及挠曲变形造成的几何非线性效应，而不考虑梁截面畸变影响，先爆炸、后火灾或先火灾、后爆炸，这两种加载方式对钢梁的影响主要集中于残余挠度的差异上，对梁其它性能的影响较小。当考虑加载过程中梁截面的畸变，爆炸(尤其沿梁平面外方向加载)可明显改变梁截面的抗弯刚度，从而使爆炸后梁的火灾行为与使用梁单元分析的结果产生大的差异。爆炸施加的角度影响梁的火灾-爆炸行为，沿梁负挠曲方向加载的爆炸作用，可使梁形成反拱，同时热膨胀导致梁轴力的增大，这有利于梁抗火性能的提高。分析结果还表明，当梁截面各分肢具有合理的高厚比或宽厚比时，可以保证梁较好的延性，而延性越好，梁在火灾-爆炸共同作用下将具有相对小的损伤。 2100433B

爆炸往往伴随着火灾，而火灾有时也会引起爆炸，研究钢结构在爆炸和火灾联合作用下的力学性能具有重要的理论和现实意义。本项目拟对不同约束条件下工字钢梁在高温下的抗冲击性能进行研究，包括理论分析、试验研究、计算机模拟以及参数讨论。通过对钢材进行高温下不同应变率的冲击试验，研究钢材在高温、高应变率下的力学性能，并拟合材性模型，确定相关参数，得到钢材的应力、应变、应变率和温度等参数之间的关系，将其应用到火灾和爆炸下的结构分析。应用给定的燃气爆炸荷载模型，研究钢梁在火灾和爆炸共同作用下的动力响应及破坏形态，考虑梁端约束情况包括轴向约束刚度、转动约束刚度的影响，推导复杂条件下单元刚度方程，编制有限元程序，计算不同温度下约束钢梁的抗冲击性能。通过参数分析，得到不同约束条件下工字钢梁极限温度和冲击荷载之间的关系，给出约束钢梁高温下抗冲击性能的计算方法。研究成果可为钢框架结构整体抗火、抗爆性能研究提供基础。

本项目针对爆炸冲击荷载造成的结构局部损伤与破坏将显著降低钢结构抗火性能的现象，拟采取理论分析与数值模拟相结合的研究方法，系统开展爆炸与其次生灾害-火灾联合作用下钢结构的损伤破坏与连续倒塌分析研究，以钢梁、钢柱等结构构件和典型钢结构为研究对象，通过研究爆炸与火灾作用下钢结构损伤破坏的相关性，建立爆炸与火灾联合作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤破坏分析方法；通过研究爆炸后火灾作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤破坏规律，建立爆炸与火灾联合作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤程度评估方法；通过研究爆炸后火灾作用下温度环境的时空变化规律，建立爆炸与火灾联合作用下钢结构连续倒塌分析与倒塌时间预测方法。为日益广泛应用的钢结构的安全设计提供可靠的理论依据和分析手段，因而具有重要的理论意义和工程价值。

本书针对火灾和爆炸联合作用下轻钢框架结构倒塌机理及防护措施进行了初步研究。通过建立新的钢材本构关系用来综合考虑高温软化效应与高速应变率效应，建立了火灾和爆炸荷载联合作用下轻钢柱损伤评估方法，开展了轻钢框架结构倒塌过程及机理的研究。

我国经济繁荣、社会稳定，但由于世界形势复杂多变、地区间贫富差距，社会矛盾依然存在，我国依然面临着潜在的人为恐怖袭击爆炸威胁。爆炸发生后将导致建筑结构发生破坏；与此同时，爆炸会引发火灾等次生灾害。对于钢结构建筑，火灾是最具有破坏效应的特殊作用之一，爆炸及爆炸后引起的火灾将进一步加剧结构的破坏，甚至引发结构的连续倒塌，给人民生命及财产安全带来严重威胁。研究爆炸和火灾联合作用下钢结构的损伤机理及连续倒塌具有重要意义。 本项目对钢构件在爆炸与火灾联合作用下的损伤破坏模式与钢结构倒塌机理进行研究，取得成果如下： （1）爆炸与火灾联合作用下的荷载模型。通过对室内爆炸及爆炸后火灾发展规律的研究，以我国典型民用建筑为研究对象，采用数值模拟和理论推导的方法建立了室内爆炸荷载模型、爆炸后建筑内部火灾温度模型，以及作用于构件的荷载模型，为进一步研究钢构件在爆炸火灾下的损伤破坏奠定基础。 （2）爆炸与火灾联合作用下钢结构构件的损伤评估。通过对钢材在高应变率、高温下损伤演化规律的研究，提出一种基于连续损伤力学理论和微观空隙发展理论的损伤模型，并将其引入钢材本构模型中，建立了爆炸与火灾联合作用下钢柱损伤破坏分析方法；通过对不同截面尺寸、不同高度钢柱的参数分析，研究了爆炸与火灾联合作用下钢柱的失效模式，采用公式拟合的方法建立了爆炸与火灾联合作用下钢柱损伤评估的P-I-t曲面; 通过对钢柱在爆炸下响应规律的研究，提出一种钢柱在爆炸与火灾联合作用下的快速损伤评估方法，采用公式拟合的方法得到爆炸荷载下钢柱的整体变形与局部变形，并作为初始条件引入抗火分析。该研究成果可应用于任意截面钢柱在爆炸与火灾下的初步损伤评估。 （3）爆炸与火灾联合作用下钢结构连续倒塌高效分析模型与方法。通过对倒塌过程中钢结构节点受力特征的分析，提出一种考虑轴力-弯矩耦合效应的节点模型，进而建立应用于连续倒塌分析的钢框架结构高效数值分析模型；参照国外相关规范，提出了结构在同一楼层内及不同楼层间的容许倒塌范围，进而建立子结构的选取原则，提出了一种基于子结构法的钢框架结构快速损伤评估方法；在上述研究基础上，提出了钢框架结构在爆炸与火灾联合作用下连续倒塌的分析方法，通过大量参数分析，建立了结构抗火时间与炸药当量的关系，研究了钢框架结构爆炸与火灾联合作用下的倒塌机制。该成果可实现钢结构在爆炸与火灾作用下的快速抗倒塌评估。 2100433B