约束圆孔蜂窝梁的抗火性能分析及简化计算方法

摘要

蜂窝梁的自重轻、抗弯刚度大、结构形式优美，节省结构净空，节约钢材，被广泛用于现代建筑中。受到火灾侵袭后，蜂窝梁受热膨胀、材性下降，附近楼板和钢柱的约束对其力学性能影响较大，孔洞的存在使其力学响应变得更加复杂。然而研究人员大多关注悬链线阶段，未对全过程做出分析，没有对破坏模式做出分析；进行数值分析时未考虑初始缺陷，参数分析时考虑因素不够全面；高效、准确的计算方法很少。针对以上研究缺口，本文对受火约束圆孔蜂窝梁进行参数分析和理论研究，阐述各因素的影响，给出破坏模式，提出简化计算方法。 首先，验证ANSYS建立的数值模型的正确性后，分别研究几何缺陷和残余应力对受火约束蜂窝梁力学性能的影响程度。结果发现：几何缺陷和残余应力对受火约束蜂窝梁力学性能的影响均较大，后续研究中不能忽略。 其次，设置8组约束蜂窝梁，分别分析轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载比、钢材强度、距高比、梁端长度、孔高比和跨高比对升温力学响应、失效模式、极限破坏模式、特征温度、特征内力的影响。结果表明：轴向约束刚度比、荷载比和孔高比是最大的影响因素，转动约束刚度比和跨高比的影响较小，钢材强度、距高比和梁端长度几乎没有影响。最后给出各参数的取值范围。 再次，根据参数分析得出的主要影响因素，用数据统计软件SPSS进行回归分析，提出屈服温度、临界温度、失效温度、极限温度、最大轴向压力、最大轴向拉力、最大跨中弯矩和最大梁端弯矩的简化计算公式，经验证，所提出公式的准确性和稳定性较好，可供设计参考。 最后，依据受火约束蜂窝梁的结构平衡方程，分析升温全过程的力学响应，提出内力、挠度的简化计算方法，该方法可根据已知尺寸及所受约束的条件得出内力-温度及挠度-温度曲线；经验证，该方法准确度较高，可供设计参考。

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1绪论

1.1研究背景及意义

1.2实腹钢梁抗火性能的研究现状

1.3蜂窝钢梁抗火性能的研究现状

1.4本文研究内容

1.5本章小结

2钢材的高温性能及有限元模型验证

2.1高温下钢材的力学及传热学性能

2.2有限元模型介绍

2.3有限元模型验证

2.4有限元模型网格尺寸的敏感度分析

2.5本章小结

3初始缺陷的影响及升温全程力学性能浅析

3.1初始几何缺陷对受火约束蜂窝梁的影响

3.2残余应力对受火约束蜂窝梁的影响

3.3受火约束蜂窝梁力学响应分析

3.4本章小结

4受火约束蜂窝梁力学响应的影响参数研究

4.1轴向约束刚度比对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.2转动约束刚度比对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.3荷载比对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.4钢材强度对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.5距高比对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.6梁端长度对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.7孔高比对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.8跨高比对受火约束蜂窝梁力学响应的影响

4.9本章小结

5受火约束蜂窝梁特征温度、特征内力的实用计算公式

5.1基于数值分析的正交试验

5.2受火约束蜂窝梁的特征温度、特征内力的计算公式

5.3本章小结

6受火约束蜂窝梁内力及挠度的简化计算

6.1受火约束蜂窝梁的简化分析模型

6.2受火约束蜂窝梁挠曲线与各内力的计算

6.3简化方法的验证

6.4本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及获奖情况

致谢