预应力钢柱在火灾环境下的热力耦合分析

摘要

在建筑结构中，柱子是主要的受力构件，对结构的稳定性有着重要的意义。将预应力体系引入钢柱，可以提高柱子的承载力，减少结构变形，节省材料。但是钢材本身不耐火，在火灾环境下随着温度的升高，钢材的性能会有很大变化。预应力拉索作为预应力的施加构件，随着温度的升高与构件本身的变形，其预应力也会有相当程度的损失，这都对预应力钢柱在火灾条件下的力学特性造成了许多不良影响。　　在预应力施加的过程中，预应力的取值并不是越大越好，合适的初始预应力将会提高钢柱的承载能力，过大的预应力则反而会对柱子的承载力造成不好的影响，因而最佳初始预应力的取值也是预应力钢柱分析中需要着重考虑的问题。预应力钢柱从结构形式上主要分为预应力内撑柱与外撑柱，一般来说外撑柱的性能要优于内撑柱，但是从建筑形式及外观要求角度来看，内撑柱也有其独特之处，很多方面反而更受到建筑师与人们的欢迎。本文结合预应力钢柱在火灾下的预应力损失，通过理论分析与数值计算，分析了预应力钢柱在火灾条件下的预应力损失、最佳初始预应力取值与最大承载力的情况。　　本文从单个构件角度出发，以预应力钢柱为研究对象。　　（1）分析内撑式预应力钢柱与外撑式预应力钢柱两种形式结构与功能上的异同，并在此基础上介绍了预应力钢柱的设计思路与方法。　　（2）根据传热学原理，分析了钢材的材料强度在高温条件下会出现一定程度的衰减，为后文进行预应力钢柱在高温条件下的热力耦合分析打下基础。　　（3）通过理论分析与实例计算，分析了火灾条件下两种形式的预应力钢柱在预应力损失、最佳初始预应力取值以及承载力情况，并进行了对比。　　（4）通过有限元方法，对预应力钢柱进行了热力耦合模拟，提出了在整体发生火灾的情况下，预应力钢柱不同位置温度可能会呈现不同的分布情况。分析了拉索中预应力随火灾发生时间及温度的变化情况，并与理论计算进行了对比结果表明随着火灾时间的持续与温度的升高，拉索中预应力损失不断增大。结合工况，分析了在柱顶荷载、结构尺寸等因素不变，拉索中不同初始预应力取值影响下预应力钢柱中部侧向位移的变化情况，论证了最佳初始预应力的重要作用。

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