钢结构抗火分析及其专家系统（ESSFF）编制-结构工程专业论文.docxVIP

钢结构抗火分析及其专家系统(ESSFF)编制博士生：范圣刚 钢结构抗火分析及其专家系统(ESSFF)编制 博士生：范圣刚 导师：吕志涛院士 舒赣平教授 摘 要 目前，钢结构抗火性能是国内外学者研究的一个热点课题。众所周知，钢结构的抗火性能较 差，在火灾作用下很快便丧失承载能力。钢结构目前的抗火设计方法是以给定荷载下试件通过耐 火试验测得的耐火时间为依据进行的。这种方法常常不能反应结构的实际情况，且缺乏一定的理 论依据。本文主要目的是对钢结构抗火设计进行一个整体的分析，开发出一套适用于钢结构抗火 设计的专家系统(ESSFF)，并且，通过对比分析，得出一些关于钢结构抗火设计的结论和建议。 全文分为三大部分：(1)过火前钢结构抗火设计的研究；(2)过火后钢结构剩余承载力和加固修 复设计的研究；(3)钢结构抗火专家系统(ESSFF)的开发。 本文在对国内外一些已有的研究成果进行对比分析之后，提出了火灾时的温度场确定方法和 构件升温模式，给出了相应的计算流程。同时，对火灾高温下钢材的性能进行了一定的对比分析， 得出适用于钢结构抗火设计的材性(屈服强度、弹性模量)计算模式，对过火冷却后钢材的性能 也进行了分析研究。 为了能够对钢结构抗火设计进行全面的分析，本文以钢框架为例，进行了非线性有限元程序 编制。在程序编制过程中，考虑了几何非线性和材料非线性。采用广义的Clough模型，建立了 高温下的单元切线刚度矩阵和刚度方程：基于Newton--Raphson迭代法，给出了非线性有限元方 程的求解过程。基于该方法，笔者独立地编制了非线性有限元程序(PSFAF)，并通过若干算例 对该程序的准确性进行了验证。通过该程序，不仅可以计算出钢框架在火灾高温作用的某一时刻 结构内各单元的内力及位移。同时，还可以判断出钢框架的抗火极限状态，并给出极限温度。 对过火后钢结构，本文提出了几种火灾现场勘察鉴定方法。结合钢结构设计原理，笔者创新 地给出了钢结构整体和构件过火后的剩余承载力计算。同时，给出了适用于过火后钢结构整体剩 余承载力计算的三种高精度单元：(1)轴力杆单元；(2)直梁单元；(3)曲梁单元，以及适用于 轴心受压、受弯、压弯这三种钢构件过火后剩余承载力的计算公式。最后得出过火后钢结构的损 伤等级评估和加固修复设计的建议与措施。 在过火前钢结构抗火和过火后钢结构加固修复分析的基础之上，笔者首次利用面向对象式高 级语言Visual Basic开发了一套钢结构抗火专家系统。该系统包含了从火灾时温度场推断到过火 后钢结构加固修复设计等内容，是一套比较全面的通用程序，具有良好的兼容性和开放性。随着 研究工作的深入，该专家系统将逐步地被广大用户接受和应用。 最后，通过对钢结构抗火的全面研究，本文给出一些钢结构抗火设计的结论和建议。并且， 笔者首次建议我国的钢结构抗火设计方法应加快由过去的“被动抗火”设计方法向“主动抗火” 设计方法的转变步伐。 关键词：钢结构、抗火、温度场、非线性有限元、剩余承载力、损伤评估、 加固修复、专家系统 Analysis Analysis on Fire Resistance Steel Structure and Programming of Expert System(ESSFF) Ph．D Candidate：Fan Shenggang Supervisor：Prof．Academician Ln Zhitao Prof．Shu Ganping ABSTRACT At present，the fire resistance property of the steel structure is a hot pursuit of home and overseas scholars As we all know,the fire resistance property of the steel structure is not good and the steel structure will soon lose bearing capacity when suffering from fire．Presently,the design method oft the fire resistance of the steel structure js based on the fire resistance time that jg measured by the test member under the given load through the fire resistance experiment．However,such method cannot reflect the practical instances of the