平面钢框架结构非均匀升温下非线性弹塑性有限元分析

摘要

目前国内外学者对于平面钢框架结构在高温下的弹塑性数值模拟研究，主要基于标准室内升温曲线进行，同时也都假定截面温度或均匀分布，或呈线性分布，从材料层次上讲，多数研究都局限在线弹性材料本构模型的范围，并忽略了温度场非均匀分布和快速升温时残余应力的影响。这些假定在一定程度上与真实结构受火后的边界条件与真实反应存在一定差距。为了突破上述的局限，本文分别对单跨、双跨、以及多跨平面钢框架结构在非均匀升温下的非线性弹塑性反应进行有限元分析。 首先，本文介绍钢结构耐火试验及有限元分析中常用的标准升温曲线，总结高温下钢结构抗火计算的弹塑性分析方法和郎金方法，以此为基础在有限元软件ANSYS界面下对高温下钢梁抗火试验的温度场进行数值模拟，通过试验时炉温的升温曲线，使用MATLAB语言编程，拟合出相应的升温公式，然后在有限元计算中利用该升温曲线，结合钢梁截面已知的测点温度分布，不断调整热辐射参数反复计算，直到钢梁测点温度与试验值相吻合，最终实现对钢梁截面温度场的数值分析，因而更准确的研究各种升温条件下构件真实的升温路径，以及截面真实的温度分布。 其次，在已知构件截面温度分布的情况下，采用ANSYS中参数化语言(APDL)开发可用于钢结构抗火计算的命令流。该命令流能够考虑升温前施加各种恒定荷载的情况，并能考虑温度沿构件截面高度方向线性分布，沿构件长度方向线性分布的情况，包括截面内外侧分别为线性分布的情况，将计算的位移与试验所布置的测点的位移值进行对比。此外，在材料层次上，本文采用的高温下材料本构模型为欧洲规范EUROCODE3．Part1.2中推荐的不考虑强化段的椭圆形模型，并编写程序计算椭圆型本构关系曲线数据，用于有限元软件ANSYS中的本构输入，进一步完善适合高温下结构分析的材料模型。 最后，本文还进行热—结构耦合分析，并考察梁柱节点处加劲肋的作用，同时研究跨度和荷载两个因素对钢框架结构的非线性响应差别。同时在EXCEL2003软件中，利用Visual Basic语言编写ANSYS软件中BEAM189单元(三维粱单元)的残余应力输入程序，将温度场非均匀分布和快速升温时残余应力的影响考虑到钢梁的抗火计算中。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外高温下钢结构耐火性能研究进展

1.3尚需解决的问题

1.4本文的主要工作

第2章理论综览

2.1升温模型研究

2.2平面钢框架结构高温下非线性反应分析理论

2.2.1基于结构塑性分析理论的分析方法

2.2.2基于郎金方法建立的分析方法

第3章数学及数值模型

3.1钢的一般物理性质

3.1.1热膨胀系数

3.1.2钢的比热

3.1.3钢的导热系数

3.1.4钢的密度

3.2高温下钢材的本构关系

3.2.1弹性模量

3.2.2屈服强度

3.2.3应力—应变关系

3.2.4高温下椭圆形应力—应变输入程序

3.3高温下钢构件的热力学模型

3.3.1钢构件内部的热传导

3.3.2热空气与构件间的传热

3.3.3钢梁传热学数值分析

3.4非线性有限元模型

3.4.1 ANSYS软件分析简介

3.4.2 ANSYS温度分析步骤

3.4.3有限元模型中BEAM189单元介绍

第4章案例分析

4.1单跨钢框架结构均匀升温下的有限元分析

4.1.1问题描述

4.1.2有限元数值计算

4.2单跨钢框架结构非均匀升温下的有限元分析

4.2.1有限元模型及计算采用的近似升温曲线

4.2.2计算结果分析

4.3双跨钢框架结构非均匀升温下的有限元分析

4.3.1问题描述

4.3.2有限元计算

4.3.3计算模型采用的假定

4.3.4耐火时间的对比

4.3.5第一榀框架有限元分析值和试验值对比与破坏过程研究

4.3.6第二榀框架有限元分析值和试验值对比与破坏过程分析

4.3.7第三榀框架有限元分析值和试验值对比与破坏过程分析

4.4多跨钢框架结构非均匀升温下的有限元分析

4.4.1算例描述

4.4.2温度场分析

4.4.3高温下结构分析

4.4.4节点处设置加劲肋的对比研究

4.5本章小结

第5章结果与讨论

5.1跨度改变对钢框架轴向力的影响

5.1.1跨度改变对双跨第二榀钢框架轴向力的影响

5.1.2跨度改变对双跨第三榀钢框架轴向力的影响

5.2竖向荷载改变对钢框架结构耐火性能的影响

5.3钢框架结构高温下相互作用情况研究

5.4非均匀升温下固接钢梁的有限元分析

5.5残余应力对钢梁抗火性能影响的研究

5.5.1残余应力的影响

5.5.2在ANSYS软件平台上的二次开发

5.5.3残余应力算计界面介绍

5.5.4初始残余应力对构件耐火性能的研究

5.6钢结构抗火设计方法研究与防火安全

5.6.1基于试验的构件抗火设计方法

5.6.2基于计算的构件抗火设计方法

5.6.3基于计算的结构抗火设计方法

5.6.4考虑火灾随机性的结构抗火设计方法

第6章结论与展望

6.1结论

6.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果