火灾下带约束钢梁的悬链线效应研究

发布时间：2017-06-27 04:01

  本文关键词：火灾下带约束钢梁的悬链线效应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钢结构具有自重轻、抗震性能好、造型美观、施工便捷、可回收利用等优点,因此,在建筑结构领域的应用越来越广泛。目前,常温下建筑钢结构的设计理论与设计方法日趋完善。然而,近年来建筑火灾频繁发生,给建筑结构安全带来了严重危害,造成大量人员伤亡和财产损失,钢结构抗火研究已成为建筑结构抗火研究的主要方向,主要研究钢构件或结构在升温初期和升温过程中的抗火性能,对火灾后期钢梁的悬链线效应、楼板的薄膜效应以及钢框架连续倒塌现象的研究还不是很深入。基于上述研究背景,本文对火灾下带约束钢梁悬链线效应开展了试验研究和有限元数值模拟分析,揭示了火灾下带约束钢梁的破坏模式、受力性能以及悬链线效应的形成过程,探究了火灾下带约束钢梁悬链线效应的影响因素,并给出了火灾下带约束钢梁悬链线效应的判定机理。在总结各国规范中已有的钢材常温下和高温下力学性能的基础上,对试验中所用Q235钢材开展了常温下与高温下的材料力学性能试验,钢材高温材料力学性能试验采用高温稳态试验方法。通过试验,获取了常温和高温下钢材的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能指标,以及材料的应力-应变曲线,为后续火灾下带约束钢梁悬链线效应的试验研究与数值模拟分析提供了重要的原始数据。基于常温下和高温下Q235钢材的材料力学性能试验,本文对5根带约束H型截面钢梁开展了火灾试验研究,揭示了火灾下带约束钢梁的破坏模式、受力性能和悬链线效应的形成过程,给出了各试验试件对应的炉温-时间曲线、试件温度-时间曲线和试件跨中挠度-时间曲线等相关试验结果,着重考察荷载比n和支座轴向约束刚度Kx对火灾下带约束钢梁悬链线效应的影响。试验结果表明：荷载比n和支座轴向约束刚度Kx是影响火灾下带约束钢梁悬链线效应的重要因素,当荷载比n一定时,Kx越大,试件发生大变形的时间较晚；当支座轴向约束刚度Kx一定时,荷载比n越大,试件发生大变形的时间较早。通过有限元软件ABAQUS对火灾试验中各试验试件建立了准确的有限元模型,采用完全耦合热力分析方法对各试验试件的有限元模型进行传热和受力分析,获得了各试验试件温度-时间曲线和试件跨中挠度-时间曲线的有限元结果,并将有限元结果与试验结果进行对比,两者存在误差,但整体趋势基本吻合,基本验证了有限元分析模型的准确性和可行性。在验证了有限元分析模型准确性的基础上,对火灾下带约束钢梁悬链线效应的影响因素进行了参数化分析,着重考察了支座轴向约束刚度Kx、支座平面内转动约束刚度KzR、荷载比n荷载类型、跨高比l/h、荷载分布形式6个参数的影响。有限元分析结果表明：①约束钢梁两端支座的轴向约束刚度Kx、支座平面内转动约束刚度KzR和荷载比n是影响火灾下带约束钢梁悬链线效应的重要因素；②不同荷载类型对火灾下带约束钢梁悬链线效应的影响不大；③钢梁的跨高比l/h和荷载分布形式对火灾下带约束钢梁悬链线效应有一定的影响。在参数化分析的基础上,本文最后对火灾下带约束钢梁悬链线效应的判定机理进行了探究性研究,研究结果表明：当发生类似于标准ISO-834升温曲线的火灾时,对于仅有可靠的轴向约束(0.3kbKx1.0kb)或带有较弱转动约束的钢梁,当荷载比n较小(0.1n≤0.5)时,约束钢梁跨中挠度达到跨度的1/15,钢梁发生了悬链线效应；约束钢梁跨中挠度达到跨度的1/11,钢梁失效破坏。当荷载比n较大(0.5n≤1.0)时,约束钢梁跨中挠度达到跨度的1/18,钢梁发生了悬链线效应；约束钢梁跨中挠度达到跨度的1/12,钢梁失效破坏。
【关键词】：轴向约束 悬链线效应 荷载比 转动约束 判定机理
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU391;TU352.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 研究背景与意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 工程结构抗火研究现状14-15
• 1.2.2 钢结构抗火研究现状15-17
• 1.2.3 约束钢梁抗火研究现状17-20
• 1.3 研究内容及方法20
• 参考文献20-24
• 第2章 常温下和高温下钢材的材料性能24-39
• 2.1 引言24
• 2.2 高温下钢材的热物理性能24-27
• 2.2.1 热传导系数24-25
• 2.2.2 比热容25-26
• 2.2.3 热膨胀系数26-27
• 2.3 已有的高温下钢材力学性能27-31
• 2.3.1 高温下钢材屈服强度27-29
• 2.3.2 高温下钢材的弹性模量和泊松比29-30
• 2.3.3 高温下结构钢的应力-应变曲线30-31
• 2.4 常温与高温下Q235钢材力学性能的试验研究31-37
• 2.4.1 材料力学性能的试验方法31-33
• 2.4.2 常温下材料力学性能试验与结果33-35
• 2.4.3 高温下材料力学性能稳态试验与结果35-37
• 参考文献37-39
• 第3章 火灾下带约束钢梁受力性能与悬链线效应试验研究39-68
• 3.1 概述39
• 3.2 试验设备与测量仪器39-41
• 3.3 约束钢梁水平反力架和试验试件的设计与制作41-50
• 3.3.1 水平反力架的设计与制作41-44
• 3.3.2 试验试件的设计与加工制作44-45
• 3.3.3 销轴铰支座和两点加载系统的设计与制作45-48
• 3.3.4 分配梁和自制混凝土盖板的制作48-50
• 3.4 试验步骤50-52
• 3.5 测量内容52-53
• 3.6 试验现象53-58
• 3.7 试验结果和数据分析58-66
• 3.7.1 试验结果58-64
• 3.7.2 试验数据分析64-66
• 3.8 本章小结66-67
• 参考文献67-68
• 第4章 带约束钢梁火灾试验的有限元数值模拟分析68-83
• 4.1 概述68
• 4.2 热力耦合分析68-69
• 4.3 有限元模型的建立69-72
• 4.4 带约束钢梁火灾试验的模拟72-82
• 4.4.1 试件表面温度-时间关系曲线72-76
• 4.4.2 试件跨中竖向变形-时间曲线76-80
• 4.4.3 破坏形态80-82
• 4.5 本章小结82
• 参考文献82-83
• 第5章 火灾下带约束钢梁悬链线效应的参数化分析83-105
• 5.1 概述83
• 5.2 参数化分析83-103
• 5.2.1 支座轴向约束刚度K_x83-87
• 5.2.2 支座平面内转动约束刚度K_(zR)87-91
• 5.2.3 荷载比n91-94
• 5.2.4 荷载类型94-97
• 5.2.5 跨高比l/h97-100
• 5.2.6 荷载分布形式100-103
• 5.3 本章小结103-104
• 参考文献104-105
• 第6章 火灾下带约束钢梁悬链线效应判定机理研究105-111
• 6.1 概述105
• 6.2 火灾下带约束钢梁悬链线效应判定机理105-110
• 6.2.1 不同条件下约束钢梁发生悬链线效应及失效时的跨中挠度变化规律105-108
• 6.2.2 带轴向约束钢梁悬链线效应的判定机理108-110
• 6.3 本章小结110-111
• 第7章 结论与展望111-114
• 7.1 结论111-112
• 7.2 展望112-114
• 致谢114-115
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文115

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