火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及受力性能研究

摘要

当火灾中钢框架柱不均匀受火时，会在截面和高度方向产生温度梯度。现行钢结构抗火设计规范给出火灾中钢构件升温的计算公式，但这些公式均是基于温度沿构件高度和截面均匀分布的假设。
　　本文采用有限元方法研究了火灾中三面受火和两相邻面受火钢柱的截面温度场，火灾场景采用ISO834标准升温曲线，钢柱采用非膨胀型防火涂料保护。对于所研究的三面受火钢柱，温度梯度沿H型截面高度方向。而对于两相邻面受火钢柱，沿截面宽度和高度方向均存在温度梯度。基于参数分析结果，对EN1993-1-2中钢构件升温计算公式进行了修正，来计算三面受火钢柱截面各部分的升温曲线。并根据有限元结果提出了几种简化的温度分布曲线来表示截面温度场。
　　采用有限元软件ABAQUS建立力学分析模型，研究了不同温度分布曲线对三面受火钢柱力学性能的影响。所研究的力学性能包括钢柱的热弯曲、反弯曲性能，沿截面的应力分布以及破坏时的临界温度。由参数分析结果可知，采用线性分布A能足够准确预测火灾下钢柱临界温度，可用来代表截面真实温度分布，且计算简洁。
　　将钢柱截面温度场假设成简化的线性分布，对不均匀受火钢柱进行恒载升温分析，可得到钢柱发生整体失稳破坏时的临界温度。三面受火钢柱可能发生绕强轴的弯曲失稳或绕弱轴的弯扭失稳，而两相邻面受火钢柱仅发生弯扭失稳。三面受火钢柱的临界温度与EN1993-1-2的结果较为接近，可直接由EN1993-1-2公式计算。对于两相邻面受火钢柱，可由EN1993-1-2的计算结果乘以修正系数，文中给出该修正系数的计算公式。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究目标

1．3 研究现状

1．3．1 钢柱截面温度分布规律研究

1．3．2 钢柱抗火性能研究

1．4 国内外规范中钢柱升温计算方法

1．4．1 中国规范CECS200

1．4．2 Pettersson公式

1．4．3 EC3公式

1．4．4 ECCS公式

1．4．5 Silva公式

第2章 火灾下三面受火钢柱的截面温度分布规律

2．1 简介

2．2 有限元模型及验证

2．2．1 有限元模型

2．2．2 模型验证

2．3 截面温度分布规律

2．3．1 钢柱截面的温度分布

2．3．2 截面高度对温度分布的影响

2．3．3 腹板厚度对温度分布的影响

2．3．4 防火保护层厚度对温度分布的影响

2．4 简化计算方法

2．4．1 受火翼缘的温度

2．4．2 腹板的温度

2．4．3 受保护翼缘的温度

2．5 温度分布曲线

2．6 本章小结

第3章 火灾下两相邻面受火钢柱的截面温度分布规律

3．1 简介

3．2 有限元模型及模型验证

3．2．1 有限元模型

3．2．2 模型验证

3．3 两相邻面受火钢柱截面的温度分布

3．4 钢柱截面温度的简化计算方法

3．4．1 上翼缘的温度分布

3．4．2 下翼缘的温度分布

3．4．3 沿腹板的温度分布

3．5 本章小结

第4章 温度分布形式对钢柱力学性能的影响

4．1 简介

4．2 有限元模型及验证

4．2．1 有限元模型

4．2．2 有限元模型验证

4．3 不均匀温度分布对钢柱受力性能影响

4．3．1 火灾下钢柱的热弯曲和反弯曲

4．3．2 不同温度分布形式对钢柱截面应力的影响

4．3．2 不同温度分布形式对钢柱临界温度的影响

4．4 本章小结

第5章 火灾下不均匀受火钢柱的临界温度

5．1 简介

5．2 EC3中轴压钢柱临界温度计算方法

5．3 三面受火钢柱的临界温度

5．4 两相邻面受火钢柱的临界温度

5．5 本章小结

第6章 结论和建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文