火和冲击载荷作用下钢梁的非线性分析

摘要

钢结构由于其自身的良好性能在工程领域得到了广泛的应用，但钢结构有一个致命的弱点不耐火。高温下钢材的强度和刚度有显著的下降。一旦发生火灾，钢结构很可能发生严重的破坏，甚至是整体倒塌。因此，研究钢结构抗火设计具有重要的理论意义和工程实用价值。 详细介绍了欧洲规范(EC3)和上海规范(CECS)中关于侧向弯扭屈曲的计算方法，并且利用有限元软件ANSYS对钢梁从发生失稳至破坏的全过程进行了模拟，与规范中的计算方法求得的临界温度进行比较，分析表明：EC3承载力设计曲线与有限元分析结果基本吻合，临界温度值在载荷比较小时与有限元结果很接近，载荷比较大时相差较大；CECS得出的承载力和临界温度值偏高，梁的整体稳定承载力公式还有待于改进。 通过对一系列钢梁的非线性分析，讨论了温度梯度，载荷比，载荷类型，约束条件，跨度等对钢梁发生失稳时的临界温度的影响。分析表明：有初始缺陷的钢梁在给定载荷的情况下，随着温度的升高，侧向位移和转角不断增大，钢梁内部的应力也随着温度发生变化。随着温度梯度的增加，钢梁发生侧向弯扭屈曲的临界温度值不断增加。在跨度，载荷比，载荷类型都相同的情况下，固支梁发生失稳时的临界温度值要高于简支梁的临界温度值。与等跨度，等载荷比作用的横向集中载荷相比，均布载荷作用下的简支梁的临界温度值偏低。 利用ANSYS/LS-DYNA软件，在考虑应变率的情况下对冲击载荷作用下工字钢梁位移响应进行了细致分析，探讨了响应过程中的饱和冲量现象，相应于最大变形的饱和冲量确实存在。当载荷幅值达到某一值时，构件变得不稳定，节点挠度随着时间的增加而不断增大，表示此时的载荷已达到动态极限载荷，即“冲击极限载荷”。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景

1.2钢结构抗火设计方法的发展

1.3国内外结构抗火设计的研究现状

1.4本文的研究内容

第2章高温下结构钢的热物理特性和力学性能

2.1高温下结构钢的热物理特性

2.2高温下结构钢的力学性能

2.3室内火灾标准升温曲线

2.4本章小结

第3章火灾下钢梁的侧向弯扭屈曲(LTB)计算

3.1 ANSYS的屈曲分析功能

3.2初始缺陷的影响

3.3问题描述

3.4规范中的计算公式

3.5有限元模型

3.6计算结果与分析

3.7结论

第4章考虑温度梯度的钢梁的侧向弯扭屈曲分析

4.1火灾下钢结构的极限状态

4.2计算中的基本假设

4.3有限元模型

4.4横向集中载荷作用下钢梁的屈曲分析

4.5载荷比、跨度、载荷类型以及约束的影响

4.6结论

第5章冲击载荷作用下钢梁的动态响应分析

5.1 ANSYS/LS-DYNA的介绍

5.2 ANSYS/LS-DYNA求解步骤

5.3显示动力分析的特点

5.4应变率效应

5.5有限元模型

5.6数值分析

5.7结论

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况