地震火灾作用下钢框架全过程抗火性能研究

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地震发生后极易出现一系列的连锁反应,从而产生串发式的次生坡坏,这种破坏不管是在空间还是时间上都会比地震自身造成的危害要大得多。随着我国日新月异的发展,燃气、各种大功率电器设备已经在城市大量普及存在,当地震过后,电器漏电、燃气泄露等极有可能造成大面积的火灾。按照以往的资料所显示,单独地震作用所造成的损失往往没有其引发的次生火灾所造成的损失严重。为了研究地震次生火灾的放大效应,本文利用ABAQUS有限元分析软件建立二维、三维钢框架有限元模型,分别模拟了钢结构在单独火灾、单独地震、震后火灾三种工况下钢框架的变形状况,并对分析结果进行对比,进而得出平面和三维空间框架的异同点。主要结论如下:(1)有初始地震损伤和无初始地震损伤的钢框架火灾反应相似,处于结构底层的房间相对与上层各个房间的火灾反应更为强烈,失效的时间也越早。对于空间钢框架而言,处于同一层的房间相互比较时,角部房间的耐火时间最长,其次是边跨房间,最后是中部房间。(2)随着钢结构地震损伤程度的不断增加,各个房间的失效时间逐渐减小,处于底层的房间失效时间的减小幅度要远远超过处于中层和顶层房间失效时间减小幅度,各房间失效时间减小幅度的排序为底层、中层、顶层。出现这一现象的主要原因是由于地震作用引起结构损伤的增加是随着楼层的增大而减小的,处于底层房间各柱的损伤增加幅度最大,中层房间次之,顶层最小。(3)与单独火灾相比,震后火灾在地震不同损伤程度下,随着结构地震残余水平位移的增加,所有的房间的失效时间都会逐渐降低。当震后残余变形在一定程度范围内时,结构失效时间会迅速减小,一旦超过一定范围时,残余变形的影响就没有那么明显了,失效时间下降的幅度逐渐降低。(4)在残余变形不变的情况下,同一框架不同失火房间在受到不同的荷载水平作用时,随着荷载水平的提高,各个房间的失效时间和失效温度都逐渐降低,且降低速度逐渐增大。(5)对比地震火灾与单独火灾可以发现,处于底层的房间在受火时,其破坏程度是最严重的,尤其是处于中间跨度的房间,可以判定底层房间为结构的薄弱环节,在进行抗火设计时要优先将底层柱作为重点来考虑。顶层房间两种火灾下失火时结构破损程度相对于其它层而言比较轻,在进行抗火设计时可以比其它层适当的减小保护,有利于节约成本,做到重点防护。(6)如果钢框架单独承受地震作用时,虽然结构的破坏程度随着地震强度的提高而增大,但结构依然处于正常的稳定状态。相对与震后火灾,结构产生的破坏而言结构的破坏程度还是很小的。而地震火灾与常规火灾相比,由于震后损伤的产生,结构会更快的到达失效状态,破损程度也要大于普通火灾。由此可见,地震作用后一旦出现火灾,会很容易破坏放大效应,造成比单一灾害更大的破坏。
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