火灾及爆炸共同作用下约束钢梁的力学性能

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。