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钢构件最普遍的防火保护手段是外涂防火涂料。但是在施工过程中,常会有人为或自然的因素造成防火涂料局部破损。因此对防火涂料局部破损的钢构件的极限耐火时间的预测将是对结构耐火设计极有意义的课题。
本文考虑到钢构件表面的防火涂料发生局部破损后,截面上的温度分布及沿长度方向各截面温度分布都不均匀,因此在理论基础上对钢构件内的三维热传导进行了研究。钢构件内三维的温度分布可通过求解偏微分方程得出。但是这样做的工作量很大,对结构的抗火设计意义不大。所以本文尝试通过有限元的研究给出局部破损后的钢构件破损区和破损影响区内的温度分布。
考虑到温度分析,结构分析,及温度、结构的耦合分析的适应性,本文选用ANSYS进行分析。通过火灾下防火涂料未破损、局部破损的钢构件温度分布ANSYS分析结果与理论、试验结果进行对比,验证了分析方法的可行性和ANSYS中模型的正确性。
利用已被验证为正确可信的ANSYS计算模型分析防火涂料局部破损的钢构件的温度分布,考虑了不同的破损位置及破损长度对钢构件内温度分布的影响,引入临界破损长度和影响长度的概念,并给出了不同的截面形状系数和防火涂料厚度下破损区和破损影响区内的温度分布的简化公式。
在现有模型基础上,考虑防火涂料局部破损所引起的钢构件极限耐火时间的变化,确定了影响钢构件极限耐火时间折减的重要参数,即:防火涂料的破损长度、荷载比、破损位置、偏心率、截面保护层参数,经过进一步的参数分析,给出三种典型边界条件下保护层局部破损的钢柱的耐火极限。