高温（火灾）环境下大跨度预应力钢梁的弹塑性分析

摘要

预应力钢结构在我国的发展时间跨度已有50年，从对这门学科最初的空白、陌生到如今对它的应用、青睐，近20年倍受重视，我国现有大型预应力钢结构工程百座，规模与技术水平都已在世界上名列前茅。大跨度预应力钢结构优点十分凸显，受力合理、刚度大、自重轻、制作安装方便，近十年受到国内外科学人士和工程师们的广泛关注，应用前景也无比广阔。然而，钢结构包括预应力钢结构，都有一个致命的弱点，即耐火性能不佳，因而进行钢结构抗火性能受到越来越多的重视，具有深远意义。　　在工程实际中，一般都采用弹性设计，即采用弹性力学研究分析结构的应力和变形分布规律，使结构变形限制在弹性变形的范围内。按弹性设计确保结构的安全是必要的，但是在某些情况下，弹性设计将造成材料在一定程度上的浪费。若允许结构内部局部区域出现一定的塑性变形，这样就可以更好的发挥材料的性能，从而提高整个结构的承载能力。　　本文在阅读大量国内外文献的基础上，将钢结构抗火性和弹塑性研究二者结合起来，对大跨度预应力钢梁作了以下研究：（1）对预应力钢梁力学与热力学相关理论进行归纳总结，确定大跨度预应力钢梁高温下材料模型与参数如何选取；（2）运用有限元分析方法，建立模型，设置参数，模拟高温（火灾）环境，确定瞬态热力学分析与结构分析方法；（3）利用ANSYS有限元分析软件，考虑不同跨度、不同布索方式和不同预应力索数量，对高温下预应力钢梁进行分析，得出以上三种因素对钢梁极限荷载、跨中挠度变化值和预应力损失比重的影响规律：跨度越大，极限荷载值越小，跨中挠度变化值越大；与直线索预应力钢梁相比，曲线索预应力钢梁的承载能力更强，产生的变形更小；温度越高，预应力损失比重越大；增加预应力索数量可以增强预应力钢梁的承载能力，减小变形，并且减缓预应力损失。　　本文希望通过对高温（火灾）环境下大跨度预应力钢梁进行了弹塑性研究，所取得研究成果可为今后工程抗火设计与应用提供参考。

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第一章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容与研究路线

1.4 本章小结

第二章预应力钢梁力学与传热学基本理论

2.1固体力学理论

2.2传热学理论

2.3无索、直线索、曲线索钢梁挠度计算公式

2.4本章小结

第三章材料模型与材料参数

3.1考虑温度的钢材本构模型

3.2 钢材热物性参数

3.3考虑温度的预应力索模型

3.4本章小结

第四章有限元模型与建模分析

4.1数值分析方法

4.2.直接法与间接法

4.3 建模流程

4.4本章小结

第五章高温下大跨度预应力钢梁弹塑性分析

5.1考虑不同跨度对钢梁力学性能的影响

5.2考虑预应力索的不同布置方式对钢梁力学性能的影响

5.3考虑预应力索的数量对钢梁力学性能的影响

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果