高强度Q460钢柱受火后力学性能研究

摘要

钢结构具有自重轻、强度高、施工便捷等优点，在建筑结构中得到广泛的应用，也逐渐成为大跨及高层结构的首选。近年来，随着大型钢结构工程的不断创新，不仅对钢材强度提出更高的要求，同时要满足更大的建筑使用空间的需求，从而促进了高强钢的开发和应用。局部火灾一般不会对结构造成根本性损坏，拆除重建会造成资源的严重浪费，因此需要对受火后结构的承载能力进行鉴定。本文针对高强度Q460钢柱受火后的剩余承载力进行试验研究及有限元分析，主要内容和结论如下：
　　①材性试验：设计了15组共计45个材性试件，对42个试件进行升温处理，并采取自然冷却和浸水冷却两种方式进行降温，对高温后的试件及作为对比的3个常温试件进行拉伸试验，得到不同温度、不同冷却方式后的应力-应变曲线，进一步得到屈服强度、弹性模量、极限强度及断后伸长率；并和普通钢Q235及高强S460钢高温后力学性能进行对比。
　　②理论分析：介绍了国内外规范对常温下、高温下轴压构件整体稳定承载力的计算方法，并将常温及高温下的理论分析方法延伸到高温后剩余承载力的计算与分析。
　　③试验研究：为研究高温后高强Q460钢柱的剩余承载力，设计了2种焊接截面类型共4根钢柱。试验分两步进行，分别为受火试验阶段和受火后加载试验阶段。受火过程的温度曲线按照国际组织制定的 ISO-834标准升温曲线。试验得到受火后构件的荷载-挠度曲线、荷载-轴向位移曲线及荷载-转角曲线等；并将受火后试验结果与常温试验结果及现行《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中 a～c类柱子曲线进行对比，得出受火后高强钢焊接截面构件仍可以按照现行规范截面类型取用的结论。
　　④有限元分析：采用有限元软件ANSYS建立火灾后高强钢柱的有限元模型，并将数值计算结果与试验结果进行对比，验证了有限元模型的准确性。
　　⑤参数分析：采用经验证的有限元模型对 Q460钢柱受火后的剩余承载力进行参数分析，作为试验结果的扩充。有限元模型考虑1/1000柱长的初弯曲和受火后残余应力的简化模型。主要参数为：受火温度、长细比和冷却方式；在参数分析的基础上提出了受火后钢柱剩余承载力的简化计算方法。

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1 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 钢材高温下及高温后力学性能研究现状

1.3 钢柱抗火性能和受火后受力性能研究现状

1.4 本文研究目标及内容

2 Q460钢材受火后力学性能试验

2.1 试验目的

2.2 Q460钢材在常温下的力学性能

2.3 Q460钢材在高温后的力学性能

2.4 高强Q460钢和普通Q235钢力学性能的对比

2.5 Q460钢与其他高强钢力学性能对比

2.6 简化计算公式

2.7 本章小结

3 轴心受压构件整体稳定承载力计算方法

3.1 引言

3.2 轴心受压构件常温下承载力的计算方法

3.3 轴心受压构件高温下承载力计算方法

3.4 高温后剩余稳定承载力计算方法

3.5 本章小结

4 高强Q460钢柱受火后的整体稳定承载力试验

4.1 引言

4.2 试件制作与设计

4.3 试验步骤

4.4 受火试验阶段

4.5 受火后加载阶段

4.6 本章小结

5 受火后钢柱整体稳定性能有限元分析

5.1 引言

5.2 结构屈曲分析

5.3 受火后轴心受压钢柱的有限元模型

5.4 本章小结

6 高强Q460钢柱受火后剩余承载力参数分析

6.1 引言

6.2 常温下有限元模型的验证

6.3 参数分析

6.4 简化计算方法

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者简介

B. 作者在攻读硕士学位期间书写的论文目录

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

D. 作者在攻读硕士学位期间参加的学术会议