受试验条件限制,结构耐火试验一般采用几何缩尺模型,但由于模型耐火试验中多物理场的复杂性,其相似理论的研究成果尚较为缺乏。目前的模型耐火试验仍采用ISO-834标准升温曲线作为升温条件,相同升温条件下模型与原型的温度场差异较大,而结构钢材的力学性能对于温度较为敏感,因此标准升温条件下的模型耐火试验无法真实反映原型结构的耐火性能。本文以传热学和相似准则为研究基础,以钢结构为研究对象建立模型耐火试验的相似理论,并根据模型耐火试验相似理论,设计模型试验中的各物理量,使模型耐火试验能够准确的反映原型结构在标准升温条件下的温度场、破坏形态以及耐火性能。本文得到的研究成果如下:(1)建立温度场相似理论:受火构件温度场变化涉及的物理现象包括受火边界的对流传热、辐射传热以及构件内部的热传导。本文以相似第三定理为理论基础,基于上述三个传热现象的物理量及其数理方程建立热传导相似准则π1和热流密度相似准则π2,并通过时间缩尺和改变模型试验炉内升温曲线的方法使模型与原型各单值条件相似,单值条件组成的相似准则在数值上相等,从而使两者具有相同的温度场。同时,本文分别以无防火保护H型钢、有防火保护的H型钢和矩形钢筋混凝土结构结构为数值模拟对象,对本文所述的温度场相似理论进行验证,数值模拟结果显示模型与原型的温度场几乎完全相同;(2)建立适用于钢结构模型耐火试验的简化温度场相似理论:(1)中温度场相似理论的推导严谨、结果准确,但热传导相似准则涉及时间缩尺,导致模型试验初始阶段的炉内升温速率过快,当几何相似常数大于3时,现有试验条件仍较难满足试验要求。本文采用集中参数法对温度场相似理论进行适当简化,形成只适用于有防火保护钢结构的实用温度场相似理论,并分别通过数值模拟和温度场试验对简化温度场相似理论进行验证,试验和模拟结果显示:简化温度场相似理论仍具有较好的准确性;(3)建立热力耦合相似理论:在温度场相似理论和强度模型试验相似理论的基础上,通过设计模型耐火试验的力边界条件和位移边界条件使模型与原型在高温下的破坏方式相同。并以H型钢梁和偏心受压钢柱为数值模拟对象,对热力耦合相似理论进行验证,结果显示模型耐火试验能够较好的反应原型结构的耐火性能。本文对于钢结构耐火研究和缩尺模型耐火试验技术具有一定理论创新和实践意义。当钢结构缩尺模型耐火试验按照简化温度场相似理论和热力耦合相似理论进行模型设计时,模型耐火试验能够直接反映原型结构在高温下的各项力学性能。