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防止钢结构建筑在火灾中倒塌研究
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发达国家钢结构产量占总钢材产量10%计算,钢结构在我国具有广阔的发展空间,但钢结构耐火性极差,易在火灾中发生倒塌破坏。1997—2003年间,我国重大火灾中倒塌的钢结构建筑共计26栋,直接经济损失2.12亿元。钢结构耐火性差的主要原因是钢材在高温下力学性能严重降低。升温钢材的高温下力学性能主要通过恒温加载和恒载升温试验研究来获得。虽然国内外对钢材做过大量的试验研究,但存在以下问题:一是业已发表的钢材高温力学性能研究成果是基于恒温加载试验,与钢结构在火灾下的热-力路径不符;二是国外研究成果未必适合我国国产钢材,国内的研究规模太。硇圆蛔。还未建立应力-应变数值模型和全过程弹性模量;三是最先进的钢结构整体火响应分析主要内容是计算结构在基本不变的重力荷载作用下随温度升高而产生的变形和应力,这需要用恒载升温试验结果来构造钢材应变-温度-应力材料模型,用恒温加载试验结果构造应力-应变曲线和全过程弹性模量。组合使用这两种模型可对钢结构抗火全过程进行精确分析。虽然恒温加载试验方案早已提出,但国内外至今未见具体计算模型发表,这已成为我国钢结构耐火设计发展的“瓶颈”。

由中国人民武装警察部队学院完成的“钢结构用钢(16Mn)高温力学性能试验研究”项目,利用自行开发的试验装置,采用恒温加载和恒载升温试验方法,对国产Q345结构钢进行试验研究,揭示了钢材在600°C范围内的力学性能变化规律和离散性,据此建立了钢材的应力-应变曲线、全过程弹性模量、屈服强度、膨胀系数、应变-温度-应力关系、强度与临界温度计算模型。

创新技术:

1、对我国10个钢厂生产的Q345结构钢进行424次恒载升温试验研究,以试验数据为基。⒘斯鶴345结构钢的ε-T-k材料模型,更符合结构在火灾中的受力状态,填补了国内外该问题的空白。由此得到的钢材强度和临界温度更为可靠。

2、对我国10个钢厂生产的Q345结构钢进行152次恒温加载试验研究,以试验数据为基。允矸绞浇⒘斯鶴345结构钢的应力-应变曲线、全过程弹性模量,提出割线交点法取值原则,更符合材料“屈服”的意义,给出的全过程弹性模量可考虑材料的弹塑性,使钢结构抗火设计中温度应力和变形计算更为精确。

3、对比了不同热-力路径下钢材性能,过去规范采用恒温加载试验结果在500°C以上很不安全。

4、开发了专用试验设备,为钢材高温力学性能试验研究建立了平台,测量精度高,重复性好。

社会效益:

本项目成果突破了钢结构高温下的材料模型这一瓶颈,对改进和提高我国钢结构有关规范的科学性,防止钢结构在火灾中发生倒塌、避免重大经济损失,保障人民安居乐业具有重要意义。

本研究成果已在国家标准《有色工业企业防火规范》编制和国家重点工程建设中得到应用,效果良好。

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