《火災及爆炸共同作用下約束鋼樑的力學性能》是依託上海交通大學，由趙金城擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：火災及爆炸共同作用下約束鋼樑的力學性能
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙金城
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
爆炸往往伴隨著火災，而火災有時也會引起爆炸，研究鋼結構在爆炸和火災聯合作用下的力學性能具有重要的理論和現實意義。本項目擬對不同約束條件下工字鋼樑在高溫下的抗衝擊性能進行研究，包括理論分析、試驗研究、計算機模擬以及參數討論。通過對鋼材進行高溫下不同應變率的衝擊試驗，研究鋼材在高溫、高應變率下的力學性能，並擬合材性模型，確定相關參數，得到鋼材的應力、應變、應變率和溫度等參數之間的關係，將其套用到火災和爆炸下的結構分析。套用給定的燃氣爆炸荷載模型，研究鋼樑在火災和爆炸共同作用下的動力回響及破壞形態，考慮梁端約束情況包括軸向約束剛度、轉動約束剛度的影響，推導複雜條件下單元剛度方程，編制有限元程式，計算不同溫度下約束鋼樑的抗衝擊性能。通過參數分析，得到不同約束條件下工字鋼樑極限溫度和衝擊荷載之間的關係，給出約束鋼樑高溫下抗衝擊性能的計算方法。研究成果可為鋼框架結構整體抗火、抗爆性能研究提供基礎。
結題摘要
本項目的成果包括：通過Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)試驗，研究了建築結構用鋼在高溫條件下的動態力學行為，並建立了一種新的鋼材高溫-粘塑性本構模型，該模型與試驗結果的擬合效果較好；在新提出本構方程的基礎上，基於三種不同單元(平面Timoshenko剪下梁單元、三維纖維梁單元、九節點Mindlin板單元)，建立了三個可用於分析火災-爆炸共同作用下約束鋼樑力學回響的非線性數值模型(使用Fortran編程)，並模擬了若干火災及爆炸試驗過程，效果良好；使用建立的數值模型並結合現有的商業通用有限元軟體進行了大量參數分析，總結了梁在火災-爆炸共同作用條件下的破壞模式，以及軸向約束剛度、爆炸載荷特徵、火災升溫路徑等因素對梁回響結果的影響；提出了一種簡化的梁在火災-爆炸共同作用條件下回響的計算方法。鋼材的高溫動態衝擊試驗結果表明，動態應變時效(DSA)使兩種鋼材表現出明顯的“反常”行為，當溫度超過400℃時，鋼材的流動應力表現出溫度強化以及應變率軟化效應，同時可以明顯觀察到材料硬化率的提高。而參數分析表明，若僅考慮鋼樑在火災升溫過程中的材料軟化及撓曲變形造成的幾何非線性效應，而不考慮梁截面畸變影響，先爆炸、後火災或先火災、後爆炸，這兩種載入方式對鋼樑的影響主要集中於殘餘撓度的差異上，對梁其它性能的影響較小。當考慮載入過程中梁截面的畸變，爆炸(尤其沿梁平面外方向載入)可明顯改變梁截面的抗彎剛度，從而使爆炸後梁的火災行為與使用梁單元分析的結果產生大的差異。爆炸施加的角度影響梁的火災-爆炸行為，沿梁負撓曲方向載入的爆炸作用，可使梁形成反拱，同時熱膨脹導致梁軸力的增大，這有利於梁抗火性能的提高。分析結果還表明，當梁截面各分肢具有合理的高厚比或寬厚比時，可以保證梁較好的延性，而延性越好，梁在火災-爆炸共同作用下將具有相對小的損傷。
