高温下钢梁弯扭屈曲及含裂纹梁自由振动频率分析

摘要

在火灾高温的作用下,结构钢的性能会发生严重劣化,钢结构建筑及其构件将发生复杂的内力重分布现象,结构和构件的变形也会显著加剧,从而造成结构整体的承载性能大大削弱,危及结构的安全,严重时会导致结构发生整体倒塌或破坏。因此建立合理的钢结构构件的抗火研究分析方法,特别是通过系统的理论研究,分析其在各种温度条件下的受力状态变化,具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文在前人的工作基础上,对火灾高温作用下纯弯钢梁的弯扭屈曲受力状态做了进一步的研究,主要研究工作如下:
　　1.考虑高温对结构钢材料性能的影响,分析了高温下(20℃≤T≤300℃)纯弯钢梁的弹性弯扭屈曲变化,给出了两端简支纯弯钢梁、两端固支纯弯钢梁、悬臂纯弯钢梁在高温下临界屈曲弯矩的计算表达式,并考虑了受弯钢梁屈曲前变形对弯扭屈曲临界弯矩的影响。
　　2.推导了高温下(20℃≤T≤300℃)横向均布荷载作用下、横向集中荷载作用下的受弯钢梁临界屈曲弯矩和临界弯矩系数的计算表达式以及变截面受弯钢梁临界屈曲弯矩的计算表达式。
　　3.通过算例分析了钢梁临界屈曲弯矩的变化,由算例分析可知:钢梁截面形式和荷载位置作用点位置的不同,对钢梁在高温下的弹性临界屈曲弯矩的差别也很大,但随着温度的提高,临界屈曲弯矩的下降趋势一致,下降的幅度也比较类似。
　　4.根据弹塑性理论,对火灾高温作用下简支钢梁在弹塑性阶段的弯扭屈曲和临界屈曲弯矩进行了分析,给出了弹塑性阶段临界屈曲弯矩的计算表达式,通过算例分析了钢梁弹塑性阶段临界屈曲弯矩随温度的变化,并利用Ansys有限元软件模拟了钢梁在火灾燃烧不同时刻的竖向变形。
　　5.在考虑高温对结构材料性能的影响基础上,对高温下含裂纹简支梁的振动频率变化问题展开分析,建立了含裂纹简支梁在高温下的自由振动频率方程,通过算例对含裂纹简支钢梁和含裂纹简支铝合金梁在高温下的自由振动进行了模拟运算,分析了其振动基频随温度的变化规律,给出了高温下含裂纹简支梁的自振频率与材料弹性模量的变化关系表达式。由分析可知:温度的升高导致了结构材料弹性模量的不断下降,而材料弹性模量的下降又使得梁自振频率随之不断降低,而且在梁中裂纹的相对深度越大,随着温度的不断升高,梁自振频率的下降幅度也越大,而裂纹位置离支座位置越近,对高温下梁自振频率的变化影响就越小。

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第1章绪论

1.1选题背景和意义

1.2目前钢结构抗火研究存在的问题和今后的发展方向

1.3近年来国内钢结构抗火研究的发展现状

1.4近年来国外钢结构抗火研究现状

1.5含裂纹梁自由振动的研究

1.6本文研究内容

第2章火灾下钢构件的温度场和钢材的高温性能

2.1火灾标准升温曲线

2.2火灾高温作用下钢结构构件的热传导方程

2.3热传导方程的求解条件

2.4热传导方程的求解方法

2.5火灾高温下钢材的热工性能和热力学性能

2.6本章小结

第3章高温作用下受弯钢梁的弹性弯扭屈曲分析

3.1概述

3.2高温下两端等弯矩作用下纯弯钢梁的弹性弯扭屈曲

3.3算例1

3.4高温下不等端弯矩作用下受弯钢梁的弹性屈曲分析

3.5高温下横向荷载作用的受弯钢梁屈曲分析

3.6算例2

3.7高温下变截面受弯钢梁的弹性弯扭屈曲分析

3.8本章小结

第4章高温下受弯钢梁的弹塑性弯扭屈曲分析

4.1切线模量临界弯矩

4.2高温下受弯钢梁弹塑性临界弯矩分析

4.3高温下钢梁的弹塑性临界屈曲弯矩及竖向变形模拟分析

4.4本章小结

第5章高温下含裂纹梁自由振动频率分析

5.1高温下等截面直梁的振动传递矩阵

5.2高温下含裂纹等截面直梁的振动传递矩阵

5.3高温下含裂纹等截面直梁的振动频率方程

5.4火灾高温下含裂纹钢梁的振动基频变化分析

5.5高温下含裂纹铝合金简支梁的振动基频变化分析

5.6高温下含裂纹简支梁的振动基频与材料弹性模量的关系

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢