火災(zāi)后大跨空間結(jié)構(gòu)受力性能評(píng)估方法研究及應(yīng)用.pdf

1、大跨空間結(jié)構(gòu)以其造型美觀、建筑宏偉、空間寬敞等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前土木工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。由于高溫條件下空間結(jié)構(gòu)主要支承體系的鋼材耐火性能較差，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下因鋼材的性能蛻化而引起的結(jié)構(gòu)損傷，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌。
　　大跨空間結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)研究尚不深入，火災(zāi)條件下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和響應(yīng)機(jī)理也不明確，從而導(dǎo)致火災(zāi)后結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的還原推定、反演分析也缺乏一定的理論基礎(chǔ)。因此，對(duì)火災(zāi)下空間結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的正分析研究和火災(zāi)后結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)推定的反分析

2、問題研究具有十分重要的理論意義和工程指導(dǎo)價(jià)值。本文以空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和火災(zāi)試驗(yàn)等多種方法，對(duì)空間結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)反演分析方法和評(píng)估方法研究。主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。
　　結(jié)合常溫下空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算方法，將擬夾層板法的適用范圍從常溫條件擴(kuò)展到高溫條件。通過對(duì)火災(zāi)作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)位移的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，推導(dǎo)了基于擬夾層板法的高溫下和高溫過火

3、后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的修正公式，為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)火災(zāi)升溫階段和火災(zāi)全過程后結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算提供了一個(gè)簡(jiǎn)化算法。
　　根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)沿網(wǎng)架高度方向的溫度場(chǎng)分布模型。推導(dǎo)了空間結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判別條件，通過分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，得到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在高溫條件下的極限承載力的變化規(guī)律。
　　提出了一種基于火災(zāi)后結(jié)構(gòu)殘余位移的溫度場(chǎng)反演方法(Inverse Method for Temper

4、atureFileds，IMTF)。該方法選取反距離加權(quán)函數(shù)和蟻群優(yōu)化算法構(gòu)造了火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的溫度逆向推定算法，通過溫度迭代計(jì)算定量得到結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的最高溫度場(chǎng)分布，為科學(xué)評(píng)估火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)殘余性能和結(jié)構(gòu)修復(fù)加固提供理論依據(jù)。
　　進(jìn)行了Williams雙桿結(jié)構(gòu)和正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)兩批次火災(zāi)試驗(yàn)研究，得到了結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的位移響應(yīng)規(guī)律。將溫度場(chǎng)反演方法應(yīng)用到火災(zāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，根?jù)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)殘余形態(tài)推定最高過火溫度，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的數(shù)值

5、精度，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)反演方法的可行性。
　　結(jié)合結(jié)構(gòu)魯棒性分析方法，研究了火災(zāi)下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，推導(dǎo)了構(gòu)件在高溫下的敏感度和冗余度，得到了火災(zāi)下結(jié)構(gòu)冗余度評(píng)價(jià)指標(biāo)和魯棒性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)定提供一種新的方法。
　　將以上研究方法應(yīng)用到火災(zāi)后中央電視臺(tái)文化中心大樓的結(jié)構(gòu)評(píng)估中，對(duì)文化中心大樓的F區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，通過溫度反演方法的計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的最高過火溫度。并結(jié)合高溫冗余度指標(biāo)，給出火災(zāi)后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的