高温下不锈钢精细化本构模型及其在构件承载力计算中的应用

发布时间：2020-07-16 18:06

【摘要】：随着我国建筑工业化发展和产业结构的不断调整与升级,钢结构建筑因其优越的性能受到越来越多的关注。其中,不锈钢结构因拥有良好的防腐性能和优越的表现能力,备受设计师的青睐。近年来,由于能源使用模式的多样化以及消防管理和民众意识的疏忽,建筑火灾频发,造成了严重的人员伤亡和财产损失。与传统砖石砌体结构、混凝土结构相比,钢结构对火灾更加敏感,火灾下其力学性能和行为反应研究更为重要。高温下材料力学性能研究作为一项基础性研究,为构件和结构抗火性能研究奠定了重要基础。国内外对常温下不锈钢材料的力学性能研究已较为完善,然而高温下不锈钢材料力学性能的相关研究仍然十分匮乏。基于上述背景,本文对高温下不锈钢材料的本构模型及其在构件中的应用进行了深入的研究。基于国产奥氏体S30408不锈钢材料,本文通过常温下拉伸试验和高温下稳态试验方法与瞬态试验方法进行了系列化不锈钢材料力学性能试验(包括8个常温下试件、28个高温稳态试验试件和36个高温瞬态试验试件),考察了不同条件下不锈钢材料的力学性能,获取了常温下和高温下不锈钢材料的弹性模量、屈服强度、极限强度等力学性能参数,并给出了相应的应力-应变曲线,且根据试验结果进一步研究了高温下不锈钢材料在较大应变范围内的应力-应变曲线发展趋势。在此基础上,对比高温下不锈钢材料力学性能的稳态试验结果与瞬态试验结果,研究结果表明:当温度不超过600℃,两种试验结果的应力-应变曲线很接近,可以相互等效;当温度高于600℃,两者误差较大,不可等效。本文在试验研究的基础上,搜集国内外已有的高温不锈钢材料力学性能研究成果,对比分析本文高温下材料力学性能试验结果与已有模型结果,可以很容易发现:已有高温下不锈钢材料模型并不能完全十分精准地反映高温下材料力学性能。为此,构建高温下不锈钢材料精细化本构模型是十分必要的。本文通过理论推导和数值模拟分析方法分别建立了高温下不锈钢材料的两种本构模型,即理论模型和简化模型。首先,本文通过理论推导建立了一个含有5个基本力学性能参数的高温下不锈钢材料本构理论模型,并基于本文的试验结果对理论模型的准确性进行了验证。紧接着,本文对理论模型中的5个力学性能参数在高温下的折减系数进行了研究与分析,给出了各个力学性能参数的折减系数表达式,并使用统计学软件SPSS对5个力学性能参数进行了可靠度分析;分析结果表明:理论模型对平板区和转角区不锈钢材料均适用。最后,基于Ramberg-Osgood模型,经过反复试算和观察,将高温下不锈钢材料的应力-应变曲线重新分段,提出含有温度参数的简化模型,并使用Matlab软件对模型中的系数进行拟合;研究结果表明:对高温下平板区不锈钢材料,当应力大于σ_(1.0)时,材料应力-应变曲线接近直线;对高温下转角区不锈钢材料,当应力大于σ_(0.8)时,材料应力-应变曲线接近直线。将高温下不锈钢材料力学性能理论模型和简化模型应用到简支矩形不锈钢梁、带约束偏心受压矩形不锈钢柱、带约束轴心受压H形不锈钢柱的抗火性能数值模拟中,使用有限元分析软件ABAQUS对上述三种构件的抗火性能进行数值模拟分析,分别采用高温下不锈钢材料力学性能的理论模型和简化模型计算获取高温下三种构件的抗火性能指标(临界温度、承载力等),并将数值模拟结果与试验结果进行对比;对比分析结果表明:对处于低温条件下构件,当应变值较小时,使用理论模型和简化模型计算出的构件抗火性能指标与基于材料力学性能试验结果本构模型计算出的结果相差不大;对处于高温条件下构件,当应变值较大时,使用理论模型和简化模型计算出的构件抗火性能指标与基于材料力学性能试验结果本构模型计算的结果有所偏差。研究结果表明,高温下不锈钢材料的理论模型和简化模型在构件抗火性能数值模拟中均可以可靠应用,但简化模型更为方便、简捷。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391
【图文】：

人员伤亡,工业化程度,建筑施工,经济损失

[1]，在中国，火灾每年造成了巨大的财产损失和人员伤亡，如图 1-1 所示。图1-1 近十年中国火灾造成的经济损失和人员伤亡钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能优越、工业化程度高、建筑施工周期短等一系列优点，因而其在建筑中应用越来越广泛。然而，普通碳素钢不耐火，其力学性能对温度较为敏感。当受火温度超过 300℃时，普通碳素钢的屈服强度将会迅速降低；当温度达到 450℃时，其屈服强度将降低为室温时的一半；当受火温度达到 600℃时，钢材将丧失大部分强度和刚度，在较短时间内可导致建筑结构发生严重破坏或整体倒塌。国内外已有大量钢结构在火灾中破坏和倒塌的惨痛教训。例如，2015 年 8 月 12 日，天津滨海新区天津港的危险品仓库发生火灾爆炸事故

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东南大学硕士学位论文2图1-2 天津港火灾图1-3 世贸中心双塔楼火灾§1.1.2 国内外不锈钢的发展与应用不锈钢，顾名思义是指在普通条件下不会生锈腐蚀的钢材。与普通碳素钢相比，不锈钢主要特点是钢材中至少含有 10.5%的铬等合金成分[2]。铬可以与腐蚀介质中的氧发生作用，在钢表面形成一层氧化膜保护层，从而阻止不锈钢基体的进一步腐蚀。不锈钢按组织状态可分为五类：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、马氏体不锈钢以及沉淀硬化型不锈钢。其中，奥氏体不锈钢具有良好的塑性、韧性、焊接性以及抗腐蚀性能等性能，是建筑行业中最常用的一类不锈钢。随着对不锈钢研究的不断深入，人们逐渐认识到不锈钢结构除具有一般钢结构所拥有的优点外，其应用于结构中还具有延性高、耐腐蚀性强、表观性高以及全生命周期维护成本低等优点。与普通碳素钢相比，高温下不锈钢拥有更加优良的力学性能；然而，同其他金属结构相似，抗火性能依然是不锈钢结构面临的一个重大问题，且不锈钢结构为了保证良好的外观效果，一般不采用或少采用防火措施

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【参考文献】