平面钢框架整体抗火反应有限元计算分析

摘要

钢结构与其它结构形式相比,有着强度高、自重轻、空间大、灵活性好等明显的优势,因此广泛地应用于各种基建的建设.但相对于钢筋混凝土结构和混合结构等耐火结构,钢结构的耐火性能极差,其材料特性在火灾环境下,随着温度的升高而迅速降低.这种致命的缺陷大大影响了钢结构使用的安全性,在很大程度上阻碍了钢结构在实际工程中进一步的推广应用.对钢结构进行抗火设计就是为了加强钢结构的使用安全性,提高钢结构在火灾环境下的耐火时间.在几种钢结构抗火设计方法中,以破坏性耐火试验来确定构件保持层厚度的基本试验的抗火设计方法,由于其试验条件与实际构件在结构中的受火反应相差甚远,因此被认为是较低水平的抗火设计方法.目前国内外对考虑不同荷载形式和端部约束影响的钢构件抗火设计方法做了大量的理论研究和试验分析,此设计方法能有效地模拟构件在结构中的实际受力和约束状态,计算结果能满足单个构件的耐火要求.但是,构件层次的抗火设计方法始终无法反应出结构层次的火灾下构件间的相互作用对整体耐火性能的影响.抗火设计的最终目的是要防止结构在火灾下发生整体结构倒塌而危急到人们的生命财产.因此进行结构整体抗火设计,分析钢结构在火灾下的整体反应就成为了钢结构抗火研究方面的新热点.在查阅了大量的科研论文和借鉴他人特别是李国强等人的研究成果的基础上,该文进行了完整系统的平面钢框架的整体抗火反应的有限元增量分析方法的推导.首先,建立了在ISO 834标准升温曲线条件下的钢构件表面温度微分方程.推导出运用经典4级4阶的Runge-Kutta公式数值方法求解钢构件温度微分方程的计算步骤.其次,利用广义Clough模型作为单元的计算模型,建立了高温下平面钢框架的整体反应有限元增量分析方法和步骤.然后,根据前面钢框架整体抗火反应分析的理论研究成果,采用Fortran95程序设计语言编制出完整的对应于ISO 834火灾升温曲线下的平面钢架整体抗火反应计算程序.最后,运用程序进行理论验证及算例分析.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1前言

1.2钢结构抗火设计方法的发展

1.2.1基于试验的构件抗火设计方法

1.2.2基于计算的钢构件抗火设计方法

1.2.3基于计算的结构抗火设计方法

1.2.4考虑火灾随机性的结构抗火设计方法

1.3国内外研究动态

1.4本文的研究目的

1.5论文结构

第二章钢构件受火表面的温度计算

2.1前言

2.2钢构件受火表面的升温

2.2.1无保护层的构件表面升温

2.2.2有轻质保护层的构件表面升温

2.2.3有非轻质保护层的构件表面升温

2.3钢构件受火表面升温过程的数值解法

2.3.1 ISO 834标准升温曲线

2.3.2钢构件表面升温过程的数值解法

2.3.3算例

2.4本章小结

第三章钢框架整体抗火反应基本理论

3.1前言

3.2基本假定

3.3高温下单元截面的几何和力学参数

3.3.1高温下等效截面的确定

3.3.2高温下截面几何参数与力学参数的推导

3.4高温下平面钢框架的整体反应有限元增量分析方法

3.4.1平面杆系有限元法说明

3.4.2钢结构单元的分析模型

3.4.3高温下平面钢框架的整体反应有限元增量分析步骤

3.4.4常温下平面钢框架的整体反应计算

3.5本章小结

第四章平面钢框架整体抗火反应分析计算

4.1前言

4.2设计总流程图与主程序标识符

4.2.1总流程图

4.2.2主程序标识符

4.3计算流程图

4.3.1计算流程图1

4.3.2计算流程图2

4.3.3计算流程图3

4.3.4计算流程图4

4.3.5计算流程图5

4.3.6符号和量纲规定

4.4算例分析

4.4.1常温下算例

4.4.2抗火试验算例分析

4.4.3 ISO 834火灾升温曲线的算例分析

4.5本章小结

总结与展望

参考文献

附录1

附录2 单元固端力FO（局部坐标系）

攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

致谢