钢结构连接节点火灾下的响应研究

摘要

在高层建筑钢结构抗火设计中，节点的合理设计是非常重要的一环。目前，我国半刚性连接的抗火研究还处于初始阶段。螺栓端板连接是一种最常见的半刚性连接形式，但是由于设计中存在许多问题严重制约了其应用和发展。现有的钢结构连接的抗火设计存在很多问题，诸如：(i)钢结构抗火研究大多是通过试验进行，但是试验成本昂贵，并且样本和试验条件都受到很大限制，无法对各个参量进行大量的参数分析。(ii)端板连接是由螺栓、端板、柱翼缘等多个组件构成，在火灾下的性能呈现出很大的非线性。而现行规范并未考虑这种影响，仍然沿用全焊接连接的设计公式来计算各组件的应力应变等，这显然与实际情况不符。(iii)我国钢结构设计规范对半刚性连接做出了原则性的规定，提出了“在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩-转角特征曲线，以便考虑连接变形的影响”。明确了在钢框架的分析和设计中考虑半刚性连接节点对框架内力的影响，但并没有提出如何确定半刚性连接的弯矩.转角特征曲线。考虑到上述情况，本文进行如下研究： 利用有限元软件ANSYS对高温下平齐式和内缩式端板连接的性能、节点的构造及节点参数的选取对结构的整体稳定性及节点破坏模式的影响进行了分析。发现端板厚度对结点的初始转动刚度影响较大，载荷比对转角的影响较大；设置承压加劲肋可明显减小结点域内的塑性应变，改善柱腹板的受力状态，提高柱稳定性，从而保证钢框架整体的稳定性。 针对平齐式和外伸式端板连接，国内外学者进行了大量的研究，确定出了其弯矩.转角关系特征曲线。对于内缩式端板连接，节点从发生偏转至完全破坏的过程分为两个阶段。其旋转中心发生了变化，直接影响到节点处的旋转刚度和极限承载力。因为实验条件限制，目前缺乏高温下的实验数据，对该类型端板连接还仅仅局限于第一个阶段的研究，本文重点利用“组件法”结合EC3所提出的三折线模型，基于计算的方法，推导出内缩式端板连接第一阶段和第二阶段的弯矩.转角关系曲线，对内缩式端板连接的变形破坏全过程有了一个全面的认识。进一步利用EC3所提出的“折减因子”法，推导出内缩式端板连接在高温下两个阶段的弯矩-转角关系曲线，为内缩式端板连接的抗火研究提供了理论基础和分析方法。

目录

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声明

第一章绪论

1.1钢结构连接抗火研究的背景及意义

1.2钢结构梁柱端板连接的构造

1.3连接的M-θr关系曲线及连接的分类

1.3.1 M-θr关系曲线

1.3.2连接的分类

1.4端板连接工作性能及其破坏形式

1.5常温下梁-柱端板连接的研究现状

1.5.1端板连接弯矩M与相对转角θr的定义

1.5.2试验研究

1.5.3简化方法承载力计算与设计

1.5.4简化方法初始抗弯刚度计算

1.5.5有限元分析

1.6梁-柱端板连接抗火研究现状

1.6.1试验研究

1.6.2理论研究

1.7研究目标

第二章高温下钢材的材料性能

2.1引言

2.2高温下钢材的热物理性能

2.2.1热传导系数λs

2.2.2比热Cs

2.2.3密度ρs

2.3高温下钢材的力学性能

2.4小结

第三章平齐式端板连接有限元模型与参数分析

3.1概述

3.2结构分析有限元模型

3.2.1结构分析所采用的单元简介

3.2.2结构分析有限元模型

3.3热分析基本原理与有限元分析

3.3.1热分析基本原理

3.3.2热分析所采用的单元简介

3.3.3边界条件及加载

3.4.温度场分析结果

3.5有限元分析结果验证

3.6平齐端板连接性能影响参数确定

3.6.1端板厚度对连接刚度的影响

3.6.2加劲肋对变形破坏过程的影响

3.6.3加劲肋厚度对变形破坏过程的影响

3.7小结

第四章端板连接节点的弯矩-转角关系研究现状

4.1常用半刚性连接弯矩-转角关系曲线的数学表达式

4.1.1线性模型

4.1.2多项式模型

4.1.3 B样条模型

4.1.4幂函数模型

4.1.5指数函数模型

4.1.6 EC3建议的M-θr曲线表达形式

4.2塑性极限抗弯承载力的计算

4.2.1各组件的受力分布图

4.2.2 T形连接的承载力

4.2.3柱腹板抗压承载力

4.2.4端板连接受拉区的承载力

4.3初始转动刚度的计算

4.4小结

第五章"组件法"推导内缩式端板连接的弯矩-转角关系

5.1"组件法"计算内缩式端板连接初始转动刚度的原理

5.2第一阶段的初始转动刚度计算

5.2.1拉伸区等效弹簧的刚度Keqt

5.2.2柱腹板受压区的等效刚度Kcwt

5.3第二阶段初始转动刚度的计算

5.4构件的极限承载力

5.4.1高强螺栓的极限承载力

5.4.2端板的极限抗弯承载力

5.4.3柱腹板极限承载力

5.4.4柱翼缘的抗弯承载力

5.5推导内缩式端板连接的M-φ曲线

5.5.1内缩式端板连接M-φ曲线参数计算方法

5.5.2屈服抗弯承载力My计算公式

5.6端板连接高温下的弯矩-转角(M-φ)关系曲线

5.7不同温度下内缩式端板连接的M-φ曲线表达式

5.8分段弹簧模型

5.9小结

第六章内缩式端板连接有限元分析

6.1结构分析有限元模型

6.1.1模型的几何尺寸

6.1.2有限元模型

6.1.3材料特性

6.1.4温度场分析

6.1.5有限元分析结果

6.2温度-转角曲线对照

6.3端板厚度不同对节点性能的影响

6.4小结

第七章全文总结及前景展望

7.1全文总结

7.2前景展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢