钢结构构件及整体框架抗火性能的有限元分析

摘要

随着中国经济的发展和综合国力的提高,我国的钢结构建筑如雨后春笋般迅速发展。由于钢结构具有施工速度快、抗震性能好、绿色环保、经济效益好等优点,所以越来越多地占据了超高层、大空间等大型建筑市场。钢材虽然是非燃烧物质,但耐火性能差,钢材的力学性能随温度升高变化显著。 由于钢材的强度随温度的升高而降低,在高温下可以造成结构的承载能力丧失,而其良好的导热性也将助长热量的蔓延。在高温情况下,钢材还会发生高温蠕变和松弛效应。钢结构建筑一旦发生火灾,将会在较短时间内达到承载极限状态直至坍塌。所以,研究钢结构在高温下的受力性能就显得十分重要。 本文运用基于计算的结构抗火设计方法,利用热传导理论和结构分析理论,使用ANSYS有限元软件进行数值模拟,计算钢结构构件和整体框架在高温下的受力性能和变形。 本文的主要内容包括： (1)介绍了传热学的基本原理和钢材的热物理特性等论文涉及的相关参数； (2)对Liu的试验进行了有限元模拟,并将试验结果和有限元结果进行了对比分析,验证了有限元分析的有效性； (3)研究了约束钢梁的抗火性能,分析了型钢翼缘宽厚比、腹板高厚比、轴向约束和转动约束刚度等因素的影响。研究发现,翼缘宽厚比越大,钢梁屈曲时的温度越低,梁轴力的极值越小；轴向刚度越大,钢梁发生屈曲时的温度越低,轴向压力极值越大；转动刚度越小,轴力增长越快,轴力的极值越大,发生屈曲越早； (4)研究了钢柱的抗火性能,分析了荷载比和不同边界约束等因素的影响；研究发现,钢柱的破坏形式为沿弱轴的整体失稳破坏。两端铰接钢柱的抗火性能要弱于一端铰接一端固接钢柱的抗火性能； (5)研究了钢框架的抗火性能,分析了框架梁和框架柱在高温下的相互作用。研究发现,钢框架的破坏形式为钢柱的受压屈曲破坏,位置在梁柱节点的下方。破坏时框架柱沿其弱轴发生失稳,框架整体有平面外的变形。框架梁由于热膨胀作用,将给框架柱侧向推力。而框架柱在温度较低时,自身刚度较大,也将限制梁的热膨胀变形。 本文通过有限元分析,总结了高温下不同条件对钢结构构件和整体框架抗火性能的影响,为今后的钢结构抗火性能研究提供了有价值的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究方法综述

1.4本文研究内容

第二章室内火灾分析模型及传热学的基本原理

2.1建筑室内火灾的类型

2.2一般室内火灾的发展

2.3室内火灾分析模型

2.3.1区域模拟

2.3.2场模型

2.4一般室内火灾的经验模拟

2.5室内火灾标准升温曲线

2.6热传递

2.6.1温度场

2.6.2传热方式

2.7热分析

2.7.1稳态传热

2.7.2瞬态传热

2.7.3定解条件

2.8热传导分析的有限元法

2.8.1稳态热传导的有限元法

2.8.2瞬态热传导的有限元法

2.9本章小结

第三章高温下结构钢的热物理特性及力学性能

3.1高温下钢材的物理特性

3.1.1钢材的热膨胀系数

3.1.2钢材的比热容

3.1.3钢材的导热系数

3.1.4钢材的质量密度

3.2高温下钢材的力学性能

3.2.1结构钢的强度

3.2.2结构钢的弹性模量

3.2.3泊松比

3.2.4应力—应变关系

3.3本章小结

第四章非线性分析和温度—结构耦合分析

4.1非线性分析

4.2温度—结构耦合分析

4.2.1直接耦合

4.2.2间接耦合

4.3单元介绍

4.4本章小结

第五章已有约束钢梁试验研究与有限元分析的对比

5.1 Liu等的试验

5.2 ANSYS有限元模拟

5.2.1几何条件

5.2.2材料性质

5.2.3荷载条件

5.2.4边界条件

5.3试验与ANSYS模拟的结果比较

5.4本章小结

第六章约束钢梁在大挠度状态下抗火性能的研究

6.1计算模型

6.2温度分析

6.3翼缘宽厚比对约束钢梁抗火性能的影响

6.4腹板高厚比对约束钢梁抗火性能的影响

6.5轴向约束对约束钢梁抗火性能的影响

6.6转动约束对约束钢梁抗火性能的影响

6.7本章小结

第七章钢柱抗火性能的研究

7.1计算模型

7.2温度分析

7.3荷载比对钢柱抗火性能的影响

7.3.1荷载比对轴向变形的影响

7.3.2荷载比对柱中部侧向位移的影响

7.4边界约束对钢柱抗火性能的影响

7.4.1边界约束对轴向变形的影响

7.4.2边界约束对柱中部侧向位移的影响

7.5本章小结

第八章钢框架抗火性能的研究

8.1计算模型

8.2温度分析

8.3结构分析

8.3.1破坏时宏观现象

8.3.2柱轴向变形

8.3.3钢柱中部侧向变形

8.3.4钢梁跨中位移

8.3.5钢梁轴向位移

8.4本章小结

结论与展望

一.结论

二.展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢