【摘要】：石化裝備鋼板剪力墻和鋼框架結構，抗火計算分析的難點在于石化烴類火災高溫下鋼材本構關系隨溫度升高而不斷變化的情況。研究工作表明采用有限元方法非常有效，能考慮材料和幾何非線性等諸多因素的影響，但是建模復雜和計算量大，難于在工程中廣泛應用。本文提出了火災高溫下石化裝備鋼結構塑性極限分析方法，，不僅使用簡單且方便有效，計算分析結果能夠滿足工程需要。 常溫下鋼板剪力墻結構中的薄鋼板屈曲并不意味喪失承載能力，相反，由于拉力帶的作用類似于一系列斜撐，屈曲后的強度可達數(shù)十倍屈曲載荷。加拿大Thorburn等在1983年提出了均勻場拉力帶模型String Model（SM），利用結構的屈曲后強度，目前該模型被北美鋼結構規(guī)范所采用。作者研究發(fā)現(xiàn)火災下其本質區(qū)別在于鋼板剪力墻結構中拉力帶的復雜拉力場分布，提出墻底和頂，以及左和右端不同溫度場的溫度拉力帶計算模型Temperature String Model（TSM），利用最小勢能原理推導了拉力帶傾角的計算公式及變化規(guī)律。基于塑性極限分析理論，推導了鋼板剪力墻屈曲后承載力的完全解或上限解。 目前，對于火災下鋼框架結構力學行為已進行了深入研究，主要是下限有限元及簡化計算方法，在工程應用中，由于本構關系的不斷變化，常會面臨計算不收斂的問題。為此，作者提出了基于塑性極限分析上限法，利用基本破壞機構疊加，通過準牛頓法解非線性規(guī)劃尋找最小內力功的臨界載荷乘子，再升溫利用迭代法來求解最小載荷乘子對應的鋼框架結構破壞的臨界溫度。 在火災情況的結構倒塌控制技術中，結構內力傳遞二次路徑法非常有效。作者利用結構軟件STAAD對石化裂解爐鋼結構，根據(jù)敏感性指標確定關鍵構件，將其強度和剛度不斷降低計算整體結構倒塌的臨界溫度，通過結構優(yōu)化設計達到設定目標。目前，國內室外烴類火下超薄型防火涂料耐火性能試驗還不多，對其進行了發(fā)泡實驗，同時根據(jù)纖維火試驗結果，采用等效爆火時間理論進行研究。 本文研究內容關注石化裝備鋼結構抗火和倒塌控制技術，提出了火災下鋼板剪力墻結構承載力的計算公式和上限法確定鋼框架臨界溫度的計算方法，編制了鋼框架的抗火計算程序，用來進行火災場景下的模擬分析，為鋼結構性能化設計提供理論依據(jù)，提出了適合于工程設計應用的鋼結構防火保護范圍的計算方法。
【圖文】：

有關統(tǒng)計表明：石油化工企業(yè)的火災約占城市重特大火災的 25%以上。典型的石化重大火災有（見圖1.1）：中石化 2008 年 6 月 3 日茂名乙烯裂解裝置重大火災事故，6 月 3 日18 時 55 分，正在運轉的茂名乙烯 2 號裂解爐突然發(fā)生火災，50 名消防勇士組成“敢死隊”，強突最危險的爆炸區(qū)內，對裝置進行排空，防止因火災被撲滅而發(fā)生二次爆炸。在 250 余名參戰(zhàn)官兵的奮勇?lián)渚认�，當�?20 時 30 分，火勢已被控制，21 時 50 分，現(xiàn)場明火被撲滅，火災持續(xù)時間約 90 分鐘

直到 1983 年加拿大學者 Thorburn[4]等提出利用內嵌薄念后，給出了拉力帶模型 String Model (SM），利用 SM拉力帶傾角和水平承載力的計算公式，由 Timler 和 Kul了其有效性，才使得利用屈曲后強度的非加勁鋼板剪力始應用。鋼板剪力墻類似于豎向的懸臂梁，周邊柱類似似于橫向加勁肋。目前，鋼板剪力墻仍然是研究熱點之拉力帶充分發(fā)揮作用時，對周邊框架的剛度要求較高，所開孔和兩邊連接的開縫鋼板剪力墻研究近來也受到重視帶理論(Diagonal Tension Theory)的研究進展。1929 年heory[5]進行飛機鋁結構設計時，認為不考慮板的屈曲后強出應用拉力帶理論進行設計，減輕飛機結構重量。如圖簡化為拉壓桿桁架，在集中力 P 的作用下壓桿屈曲失穩(wěn)年 Paul Kuhn Theory[6]認為壓桿屈曲后仍可承受一定荷拉力帶共同承載的設計理論，用系數(shù) k 來表示兩者所占試驗破壞如圖 1.4 所示。
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TU391

【參考文獻】

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本文編號：2547592