垫板加强T型管节点火灾后静力强度和滞回性能研究

摘要

钢材由于其强度高、自重轻、整体刚性好以及变形能力强的特点被广泛应用于大跨度、超高、超重型的建筑物，然而钢材自身耐火性能不足的劣势使得钢结构抗火成为设计与研究中的重点。一般根据火灾作用时温度的变化规律可以将火灾作用周期分为火灾前的常温阶段、火灾中的升温阶段、火灾减弱时的降温阶段以及火灾扑灭后的常温阶段。目前的关于抗火的研究多着眼于火灾升温阶段结构的破坏，但实际上现有的城市消防系统完全可能在建筑火灾发生时短时间内将火灾扑灭，而对于这些成功从火灾中“抢救”过来的钢结构建筑，其安全性却由于相关研究的匮乏而无法轻易判定。因此，对火灾后钢结构力学性能的研究显得尤为重要。
　　本文拟对垫板加强 T型钢管节点的火灾后静力承载力与滞回性能进行了试验和有限元研究。首先，设计了4个几何尺寸完全相同的垫板加强T型圆管节点足尺试件。其中2个试件用于测试该类节点常温下和火灾后的静力强度；另外2个试件用于测试该类节点在常温状态下和经历火灾后的滞回性能。在静力强度试验中，先后记录了节点常温下与火灾后的荷载-位移曲线并对其进行对比。试验结果表明：该类节点经历最高温度为500 oC的火灾后，刚度与强度退化并不明显。在滞回试验中，对比了节点火灾前后的裂纹扩展情况、滞回曲线、能量耗散系数、延性系数及破坏模式。试验结果表明：经历最高温度为500 oC的火灾后，节点的裂纹拓展更快，滞回曲线包络面积减小，耗能能力降低。
　　其次，本文采用有限元分析软件ABAQUS的热力耦合分析模块，综合考虑钢材在常温、升温、降温及火灾后的本构关系和垫板-主管接触对的定义，构建了可以模拟垫板加强 T型管节点火灾全过程力学性能的有限元模型，并先后利用静力强度试验、滞回性能试验和已有其他学者的试验结果来验证有限元模型的正确性。通过对比数值模拟与试验结果的荷载-位移曲线、静力强度、耗能系数与节点失效模式，发现有限元模型结果与试验结果吻合较好，说明本文提出的有限元模型能够较为准确的预测该类节点在火灾下的力学性能。
　　最后，基于已验证的有限元模型对该类节点的火灾后静力强度与滞回性能进行了参数分析，研究了如主管长径比、支主管直径比、支主管壁厚比、火灾最高温度等参数对节点火灾后静力强度与滞回性能的影响规律。在分析诸多数值模型的结果后，着重讨论了对该类节点在承受单调受压荷载时极限强度的判断准则及火灾后承载力的估算方法。

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1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2相关课题研究现状

1.3本文主要研究内容

2 试验测试

2.1试验目的

2.2试验准备

2.3静力强度试验测试

2.4滞回性能试验测试

2.5本章小结

3 有限元模型建立及验证

3.1前言

3.2有限元几何模型

3.3温度场分析模型

3.4应力场分析模型

3.5有限元模型验证

3.6本章小结

4 有限元参数分析

4.1前言

4.2参数定义

4.3火灾后静力强度参数分析

4.4火灾后滞回性能参数分析

4.5本章小结

5 本文结论及展望

5.1主要结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文目录