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框架柱火灾行为的通用性数值模拟：模型构建、验证与应用拓展

一、引言

1.1研究背景与意义

在建筑结构体系里，框架柱扮演着至关重要的角色，作为竖向承重构件，承担着来自梁、板等水平构件传递的各类荷载，包括建筑物自身的恒载、人员活动及设备放置等产生的活载，以及风荷载、地震作用等侧向力，并将这些荷载可靠地传递至基础，进而分散到地基中。其稳固性直接关乎整个建筑结构的安全与稳定，是维持建筑结构整体性和承载能力的关键部件。一旦框架柱出现破坏，极有可能引发建筑结构的局部甚至整体倒塌，对人员生命安全和财产造成不可估量的损失。

火灾作为一种极具破坏性的灾害，严重威胁着建筑结构的安全。在火灾发生时，高温环境会使框架柱的材料性能发生显著劣化。对于钢筋混凝土框架柱，当温度达到300℃以上时，混凝土内部水分会急速蒸发，产生巨大的蒸汽压力，导致混凝土开裂甚至爆裂；钢筋在400℃左右就开始软化，600℃时强度降低一半，1000℃时几乎完全失效。对于钢框架柱，钢材的强度和弹性模量会随温度升高而急剧下降，在600℃左右时，钢材强度和弹性模量仅为常温下的30%左右。材料性能的劣化会使框架柱的承载能力大幅降低，变形能力增强，容易发生失稳破坏，进而危及整个建筑结构的安全。如2001年美国“9?11”事件中，世贸中心双塔因飞机撞击后引发大火，高温导致钢框架柱软化，最终无法承受上部结构的重量而倒塌，造成了巨大的人员伤亡和财产损失；2009年央视新址北配楼火灾，大火持续燃烧近6个小时，致使建筑内部的框架柱等结构构件严重受损，建筑结构安全受到极大威胁。

为了深入研究框架柱在火灾中的行为，保障建筑结构的消防安全，通用性数值模拟方法具有不可替代的重要性。通用性数值模拟可以突破物理试验在时间、空间和成本上的限制，能够对不同类型、不同尺寸、不同工况下的框架柱火灾行为进行全面、系统的分析。通过建立合理的数值模型，可以模拟火灾过程中框架柱的温度场分布、材料性能劣化、力学响应以及破坏模式等，为揭示框架柱火灾行为的内在机理提供有效的手段。同时，数值模拟结果还可以为框架柱的防火设计、火灾后损伤评估以及修复加固提供科学依据，有助于制定更加合理、有效的防火安全策略，提高建筑结构的抗火性能和安全性，减少火灾事故造成的损失。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对框架柱火灾行为展开了大量研究，并取得了一定成果。在试验研究方面，国外起步较早，进行了众多具有代表性的试验。例如，英国建筑研究院（BRE）开展的Cardington火灾试验，对足尺钢框架结构在火灾下的力学响应进行了全面监测，包括框架柱的温度分布、变形情况以及破坏模式等，为后续研究提供了宝贵的试验数据。国内也开展了一系列相关试验，同济大学进行的钢筋混凝土框架结构火灾试验，深入分析了火灾下框架柱的内力重分布规律和倒塌机制，为结构抗火设计提供了重要参考。

在数值模拟研究方面，国外利用ANSYS、ABAQUS等通用有限元软件对框架柱火灾行为进行模拟已较为普遍。通过建立精细的数值模型，考虑材料非线性、几何非线性以及热-力耦合等因素，能够较为准确地预测框架柱在火灾中的温度场和力学响应。国内学者在借鉴国外研究的基础上，结合我国建筑特点和火灾实际情况，也开展了大量数值模拟研究工作。如清华大学利用数值模拟方法研究了不同约束条件下钢框架柱的抗火性能，分析了约束刚度对框架柱稳定性能的影响。

然而，现有研究在数值模拟通用性上仍存在一些不足。一方面，不同研究者建立的数值模型往往针对特定的框架柱类型、几何尺寸和火灾工况，缺乏广泛的通用性和适应性，难以直接应用于不同条件下框架柱火灾行为的分析。另一方面，在数值模拟中，对于一些复杂因素的考虑还不够全面，如火灾中材料性能的动态变化、构件之间的相互作用以及火灾场景的不确定性等，这些因素都会影响数值模拟结果的准确性和可靠性。此外，目前的数值模拟方法在计算效率和精度之间难以达到良好的平衡，对于大规模、复杂结构的火灾模拟，计算成本较高且计算时间较长。

本文针对现有研究的不足，旨在开展框架柱火灾行为的通用性数值模拟研究。通过综合考虑各种影响因素，建立具有广泛通用性的数值模型，实现对不同类型框架柱在多种火灾工况下行为的准确模拟和分析，为框架柱的抗火设计和火灾安全评估提供更加有效的方法和工具。

二、框架柱火灾行为理论基础

2.1框架柱结构特点与火灾危害

框架柱作为建筑结构的关键竖向承重构件，依据材料的不同，主要可分为钢筋混凝土框架柱、钢框架柱以及钢-混凝土组合框架柱这几类。钢筋混凝土框架柱由混凝土和钢筋共同组成，混凝土抗压强度高，能承受较大压力，钢筋抗拉强度强，弥补混凝土抗拉性能的不足，二者协同工作，使柱子具有良好的抗压、抗弯和抗剪能力。其具有较好的耐久性和耐火性，在一般建筑中广泛应用，如普通住