本文是一篇土木工程论文，本文针对变电站这一高大空间建筑钢结构的耐火性能进行研究，采用构件层面的设计方法进行耐火验算，并对火灾中最危险的一榀门式刚架进行数值模拟分析。
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
人类的生产生活中难免存在可燃物，这些可燃物带来便利的同时也是造成火灾的潜在威胁。变电站有调配、输送电能和转换电压的作用，是连接发电端与用电端的枢纽。我国电力系统中变电站的火灾事故率不容忽视[1]。根据国家消防救援局的数据[2]，2020年全国电气类火灾占全年火灾总数为33.6%。
变电站中有大量的易燃物，发生火灾的原因一般是短路过热导致起火，包括电缆和变压器等起火。变电站发生火灾不仅造成直接经济损失，还可能会导致突发性大面积的停电，对人民生产生活造成影响。
2016年6月，西安南郊330kV变电站发生火灾，并产生爆炸和大量浓烟，大火约一个小时被扑灭。事故损失负荷20多万千瓦，造成多座110kV变电站和一座330kV变电站失压，造成附近建筑门窗、车辆受损和居民受伤。
户内型变电站是变电站建筑常见形式之一。户内型变电站具有房间层高不统一、高差大、紧凑等特点，对建筑物内部设备的布置有较高的要求。户内型变电站主体结构若在火灾中失效，将导致巨大的经济损失，甚至有可能产生严重的次生灾害。
钢材强度高、韧性好、施工方便，在建筑结构中广泛使用。钢材本身不可燃，但是火灾中钢材温度升高后刚度和强度下降。不采取防火保护的钢材在500℃时强度下降一半[3]。因此，无防火保护的钢结构在火灾中很容易发生破坏。为了减少经济损失，有必要对钢结构变电站进行耐火分析和防火保护。
钢结构防火保护层主要有防火涂料和防火板。涂覆防火涂料的保护方式施工方便，不受构件截面或施工位置的影响，在钢结构建筑工程中应用较多。防火板具有装饰性好、便于加工、干作业等优势，但目前关于防火板的研究较少。防火涂料与防火板对变电站主体结构耐火性能的影响尚需进一步研究。
.......................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 钢材高温特性研究
在火灾的高温作用下，钢材的材料性能会发生显著的变化，钢材高温下的材料属性是钢结构耐火分析的关键之一。试验研究中，大多通过恒载升温和恒温加载两种方式，得到高温下钢材的热物理属性和力学性能。
国内外研究人员对钢材的高温材料性能展开了大量的研究。1988年，Kirby B R[4]对43A、50B钢分别进行2种不同方式的高温材料特性试验，给出了高温下钢材的应力-应变曲线。1993年，Harmathy[5]通过分析A36钢的高温下应力-应变曲线，除发现钢材的屈服强度和弹性模量随温度升高而降低外，并且发现钢材屈服段变短甚至消失。2011年，Fu等[6]通过试验测得Q235钢的瞬时线热膨胀系数。2000年，谭巍[7]和李国强[8]通过试验得到Q235钢和Q345钢高温下的应力-应变曲线，并给出了高温下的Q235和Q345钢材力学模型。2012年，王卫永[9]等对Q460钢进行了试验研究，发现Q460钢升温时弹性模量和强度降低比普通钢慢，Q460高强度钢材比普通钢的耐火性能更好。2014年，操龙飞等[10]通过试验发现钢材相变引起的收缩量约占整个膨胀绝对量的16%。2016年，王康[11]通过试验对Q690钢进行了研究，发现700℃时，Q690钢基本丧失强度，弹性模量和屈服强度都降低了90%左右。
基于研究人员对钢材的热物理属性和力学性能的试验研究，各国的耐火设计规范中给出了钢材高温下的热物理性能和力学属性，如《建筑钢结构防火技术规范》（以下简称《钢结构防火规范》）[12]、日本规范[13]、欧洲ECCS[14]、欧洲EC3[15]、英国BS[16]、美国AISC[17]和澳大利亚AS 4100[18]等，但不同规范的取值并不一致。
.........................
第2章 某变电站火灾温度场的数值模拟
2.2 工程概况
某500kV变电站GIS室建筑采用单层单跨门式刚架结构，长190m，中部设防震缝分为两个结构单元。跨度为15m，柱距7.5m，共28榀，柱高15.8m，主体结构高16.55m。刚架柱采用H型钢，型号为H 600×300×12×14，刚架梁采用H型钢H 600×250×12×14。围护结构采用双层压型钢板复合屋面和装配式彩钢复合夹芯板墙体。窗采用铝合金固定窗。建筑的耐火等级为二级，其火灾危险性为戊类，设计使用年限为50年，结构安全等级为一级。建筑平面图如图2-1所示，由于建筑平面图是对称的，故平面图仅展示一半。
土木工程论文怎么写
.......................
2.3 火灾温度场的数值模拟
2.3.1 模拟方法
变电站的高大空间中发生火灾时温度场分布不是均匀的，不同区域的温度差别巨大，一般室内火灾升温曲线不适用于高大空间变电站的耐火验算。本文采用FDS（Fire Dynamics Simulator）软件模拟变电站房间的火灾温度场。
FDS是由美国标准和技术研究所开发的一种开源的流体动力学软件，在安全工程领域应用广泛[72]。FDS基于场模拟理论，采用有限体积法求解的Navier-Stokes方程，主要研究对象为火灾热传递和烟气。大量的试验验证表明，该软件可用于模拟火灾。
由于FDS的前处理不可视化，只能编程进行建模，效率较低。因此，本文使用Thunderhead Engineering公司针对FDS的前处理开发的PyroSim软件。PyroSim软件提供了建模的可视化界面，使用方便，建模效率较高。
FDS采用的大涡模拟技术，计算精度取决于计算网格的最长边。只有计算网格的最大尺寸改变才会改变计算精度，网格其余尺寸对计算精度没有影响，故FDS采用的计算网格最好为正方体。
若采用多重网格划分，即计算模型中存在不同网格尺寸，不同尺寸网格间应互相协调避免越线。温度、烟气变化梯度较小或者不重要的区域可以设置尺寸较大的网格，存在火焰的区域设置的网格需要精度足够高，仅需要测温的区域可以适当加粗网格。
................................
第3章 无防火保护的变电站耐火性能 ............................. 20
3.1 引言 .................................... 20
3.2 钢材高温下材料性能 ............................ 20
第4章 有防火保护的变电站耐火性能 ......................... 50
4.1 引言 ................................ 50
4.2 防火保护方法及耐火验算 ............................... 50
第5章 结论与展望 ....................... 92
5.1 结论 .................................. 92
5.2 展望 .................................. 93
第4章 有防火保护的钢结构变电站耐火性能
4.2 防火保护方法及耐火验算
4.2.1 防火保护方法
钢结构的防火保护方法包括使用耐火钢，使用防火保护材料将钢结构与火灾温度场分隔开，设置自动喷淋装置等等。使用耐火钢成本较高，设置自动喷淋装置成本高，且存在长期维护的问题，故本章研究采用防火涂料和防火板对结构进行防火保护。
本文研究的变电站建筑耐火等级为二级。由于耐火等级为二级的单层厂房柱的耐火极限为2.0h，膨胀型防火涂料的耐火时长难以达到1.5h以上，故本文采用非膨胀型防火涂料。
非膨胀型防火涂料的热传导系数与温度相关，为简化计算，韩君等[85]通过对比试验和理论计算，提出模拟计算可采用等效热传导系数作为非膨胀防火涂料的参数。
4.2.2 变电站耐火验算
《钢结构防火规范》提供了构件层次的耐火验算方法，本节基于《钢结构防火规范》的承载力法对一个实际工程进行手算耐火验算。
（1）工程概况
本工程为某500kV变电站的500kV GIS室，工程为单层单跨门式刚架结构，设计使用年限为50年，建筑面积为3097.44m2，结构安全等级为一级，该建筑的火灾危险性分类为戊类，耐火等级为二级。刚架柱、梁均采用H型钢，柱型号为H600×300×12×14，梁型号为H600×250×12×14。围护结构采用双层压型钢板复合屋面和装配式彩钢复合夹芯板墙体。建筑平面图如图2-1所示，由于建筑平面图过于细长并且是对称的，故平面图仅展示一半。刚架梁、柱的截面特性如表4-1所示。
土木工程论文参考
.............................
第5章 结论与展望
5.1 结论
户内型变电站大多为高大空间建筑，本文将变电站中的一榀门式刚架作为研究对象，首先利用FDS软件模拟计算实际变电站工程发生的火灾温度场，对各火灾场景的火灾温度场分布和火灾发展情况进行了分析；然后采用ABAQUS软件进行顺序热-力耦合分析，研究了不同火灾场景下的裸钢结构响应；最后采用ABAQUS分析了不同火灾场景、不同厚度的防火涂料和防火板对结构热力响应的影响。本文的主要结论如下：
（1）与一般室内火灾温度场不同，高大空间建筑中起火后的温度场具有明显的分层；火源热释放速率降低使火灾温度整体降低，但对火灾温度场分布影响较小；火源位置变化主要影响火灾温度场分布，对火源附近的温度最大值影响较小。
（2）无防火保护的门式刚架在不同火灾场景下温度场变化规律如下：
1）门式刚架温度场分布与火灾温度场分布类似，钢材热传导对结构温度场分布影响较小；
2）内翼缘和腹板的升温速率快于外翼缘，火灾中热辐射、热对流对刚架温度场起控制作用；
3）火源热释放速率降低使门式刚架升温变慢，最终温度更低；
4）火源距离结构构件较远时，门式刚架温度场发生变化，升温变慢。
参考文献（略）