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课题组2015年的论文:超高层建筑火灾结构安全分析

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在2012-2016年期间,我们课题组开展了一些高层建筑火灾安全性的研究,这是当时英明鉴、李易等完成的一篇研究论文。

Progressive collapse analysis of a typical super-tall reinforced concrete frame-core tube building exposed to extreme fires. Fire Technology, 2017, 53(1): 107-133. DOI: 10.1007/s10694-016-0566-6


针对火灾引起高层建筑结构失效的安全问题,我们研发了整体结构火灾安全分析方法,其关键科学难题是火灾的长持时热-力耦合准静力行为和倒塌瞬时强非线性动力行为的模拟难题。即我们的计算程序,既要能够模拟几个小时(也就是成千上万秒)的长时间火灾作用,也要能够模拟几秒钟的快速倒塌过程。这给程序的编写和计算造成了很大的挑战。为此,我们开发了如图1所示的计算框架。

图1 整体结构火灾破坏计算方法


此外,我们还开发了可以用于整体结构火灾热-力耦合非线性行为模拟的纤维梁和分层壳单元(图2)。

图2 火灾纤维梁+分层壳程序


我们以一个42层的钢筋混凝土框架-核心筒超高层建筑(图3)为例,开展了火灾破坏全过程模拟研究。由于该类建筑具有很强的抗火能力,因此我们假定了非常大的火灾影响范围和非常长的火灾持续时间(图4)。

图3 研究对象42层框架-核心筒超高层建筑

图4 设定的受火区域


大量案例分析表明,只有当火灾作用时间和火灾作用范围远超常规火灾设计工况时,才可能引起钢筋混凝土框架-核心筒的整体结构破坏。图5是一个典型计算工况,可见在火灾持续7.7个小时后,才进入倒塌破坏状态。

图5 典型模拟工况,7.7个小时火灾作用后进入倒塌


对于此类超高层建筑而言,其整体结构火灾行为研究是非常有必要的。因为构件之间存在复杂的相互影响和约束,使得其破坏机理与常规概念差异显著。例如,一个典型的破坏过程是首先火灾引起梁和楼板的膨胀,进而造成柱子变形,形成很大的附加弯矩。而后当梁和板在长时间高温作用下失效后,柱子失去侧向约束,在轴力以及温度变形引起的二阶效应下,柱子出现倒塌破坏。但是,由于整体结构内力重分布能力很好,因此即便柱子破坏后仍具有较好的抗连续倒塌能力。

图6 倒塌破坏机理分析

根据我们的分析结论,超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构的耐火能力还是很强的。构件本身就具有很好的抗火能力,再加上结构体系又有很好的内力重分布能力,因此常规火灾下不会出现美国世贸中心那样的连续倒塌破坏。但是结构构件仍然会受到不同程度的破坏,其火灾后的鉴定修复仍然需要开展大量研究。此外,整体结构受火行为和单独构件火灾试验有明显不同,建议进一步加强整体结构火灾行为的研究。

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来源:陆新征课题组
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首次发布时间:2023-03-18
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