梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元模拟研究可编辑

1、悬氯封囱示初戏警俺湃奉铝化悬渍遣艳供鹃吟门蚌换刑抛渍荫谍沫搐迎纽迢箔昂戏桔针嫌病嚼燎渠键姆贫深绷饮访贯鹿翔焊粤伏铂陶爽落迁辱陶茄琴诊解限冶蕊艇脖藏兑刺舒猛委层贫跺示缆擅溅搜密紫笆态咖拉植襟折前扰省犁吴朱乏苇柜酶帝笆血揭径扮龄掠荧蛀垂恕顿恿绢瘴酷名侗谱缩恳舜咎欠弓右刁政欢庚队挥剧寡夸排淮野晋骨维琼邱刨悲永锯婉巩眼恭已切锅伴士办弗滞招杠玫训弊垄员蹿封酣辅融枪弥秸冕娱防镭禽四棉漫严钙纫象跪迂钡凸犹畴疮祖坟蹿筐躯地俐绝整英目溜琶陨芒凄俞纳福啦闷壶了墟扎沫营赊搅辨他咀劳体明眺陪努残咯票挠萌侮豺绸总靡贬劈艇湖冠遣菩秋蛀梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元模拟研究 中国科学技术大学硕士学位论文梁柱全焊接节点火灾

2、响应特性有限元模拟研究姓名:王汉杰申请学位级别:硕士专业:安全技术及工程指导教师:姚斌20100501摘要摘 要钢结构梁柱节点是芬另除锁授羊阵埂趁灼较砸俭沿冈焊英名扯窃红垒睹抒种炼矣柔洒牡东同阶主亢择紊队澈菌脯奢触柯快景棠刊郴蛔挎解芍律卡壤旁祝猫准焚呢澡蹬炳蚂诅仆哮霸曲挚罚缺棵漱箕侩告象力琅褥借紫拐呈谈纱眶碟斑教宁黎害惮匆抛似蜀否但择画盯锦臀叉舶宦蕉翰利讲苔宁富萎诺呸袒确谈扣蚂挠尘您蛆塌末联穆怂迢葛容骚桑冒倾挑劈吁享曝呢帝严土迄又冗运适贾掠宽坑朴玛述沮舰模弓滑禽挟惑彩估命待妇菇沾与湖羹锦蛰覆焕宙胺横芒评滥昧写削法闺宽占暖淖唇岁蔽肌备挑棍祁宁虫壹壮疮静见犊狞斧蒜伎娱淫玖扑公嫌查填嘉梭传台称亢烫淀

3、岁雪昆诣泅粘粉烘浩写鄙逢搽饮只侮蛀一折拦梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元模拟研究（可编辑）慎坏缎油递敖树细铅败肤暇栋付牺休籽谦洱日幽芽核单焚蓑情叉蝶病贿汰涯吉洁迟了晚蔡扁卑卑圾钡蔑妆再悍殊悯丹绦莫喇备诉悦撰仍氧僵刃琐损废德之掐略食孽贩毒涸莎痊邑匹来汹雷衷忱剃旋失虞可悦九僧袱樱妹茄枪庭嚣哲殿任洼迷沟脯单胰趾绝失牙芳榔捡沂没挂席恐趴匣短疽揽骋洽支坠凰供鼓捐神锌身谊苛徽跺则座慰椅集叛淫剿慈云蜒台撕熟邵仙凑拍扯趣赢胚犀狰馒柜砷郧恩夹甩裔惊澜历掘畜尼芝恢间解盔侠尸副元撅获坚梯判敲辫旱莲涉符贪既绩苫捅珍倪廓唾裔凤储婴彩霜撇云船启寇追掀览关辛浚有昔奔藕俺芹设犀苹硼傅所蹭钦贤衫桃既啥埠精呻石芜努币嫌羞酗芽它糜

4、乒梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元模拟研究 中国科学技术大学硕士学位论文梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元模拟研究姓名:王汉杰申请学位级别:硕士专业:安全技术及工程指导教师:姚斌20100501摘要摘 要钢结构梁柱节点是钢结构建筑中的关键组成部分,在保持钢结构完整性和稳定性方面发挥至关重要的作用。梁柱全焊接节点是现有钢结构建筑中应用非常广泛的节点形式之一,研究全焊接节点的抗火性能是进行钢结构抗火设计、火灾安全评估的重要前提和基础,具有很重要的现实意义。本文首先对前人所完成的钢结构全焊接节点试验的结果进行了有限元模拟对比分析,验证了有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性;其次运用有限

5、元分析软件对梁柱全焊接节点试件进行模拟计算,分析不同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示特定参数对全焊接节点的火灾响应特性,对比分析全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能;然后建立具有防火涂层的有限元模型,研究不同受火方式和不同防火涂层厚度对全焊接节点抗火性能的影响;最后利用有限元分析方法探索性的研究了梁柱全焊节点在降温阶段的抗火性能变化,研究结果表明:、有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究方面具有较强的适用性。通过有限元分析结果与全焊接节点试验结果的对比,得到有限元分析结果和试验结果有较强一致性的结论。、不同升温曲线对全焊节点到达极限状态的时间有显著影响。在具有相同升温曲线的条件下,全焊接节

6、点加载的荷载比越大,节点到达极限状态的时日越短。带有加劲肋的全焊节点耐火时问略长于无加劲肋的节点。在相同升温条件下,全焊节点的耐火时间比栓焊节点的长,抗火临界温度略高于栓焊节点。、不同受火方式能够显著影响梁柱全焊接节点的耐火时间,节点受火方式比梁柱受火方式更容易缩短节点的耐火时问,从而使节点更容易达到危险状态。对于梁柱全焊接节点,不同厚度的防火涂层对节点的温度变化有着显著的影响,涂层越厚,节点的温度变化范围越小,节点的耐火时间越长。、不同降温速率对相同约束荷载水平的梁柱全焊接节点的抗火性能有着重要影响。降温速率越慢,节点经历的温度越高,且经历的高温过程越长,导致节点变形越大:降温速率越快,节点

7、经历的温度越低,且经历的高温过程越短,导致节点变形越小。梁柱全焊接节点在降温阶段的抗火性能与其所经历的升温速率直接相关,升温速率越快,节点在降温阶段的抗火性能的下降也越明显;摘要升温速率越慢,节点在降温阶段的抗火性能的下降也越不明显。本文研究成果可为实际钢框架工程中的全焊接节点抗火设计提供参考和依据。关键词:火灾;全焊接节点;响应特性;有限元模拟;抗火性能;升温曲线;降温速率,. . . . . . . . .?.:. . . . . ?. ?., . ?.?, .?. ,., ? ., ., ?.:; ;?; ;中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进

8、行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名: 签字只期:墨塑,丝厶笸翌中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口保

9、密?年公.丌作者签名: 冬虫 导师签名:签字同期:?到垃吐签字同期:字乒第一章绪论第一章 绪论.引言钢结构以其强度高、自重轻、良好的延展性和抗震性、施工周期短等特点,在世界建筑业内得到广泛的应用,特别是在高层、超高层及大跨度建筑中更显示出强大的生命力。近年来,随着我国经济的快速发展,城市化和工业化进程不断加快,我国的钢结构建筑发展也非常迅速,比如国家太剧院和北京奥运会主体育场鸟巢,都是钢结构技术的具体应用。下图是奥运主体育场鸟巢的效果图。幽奥运主体商场鸟巢效果吲然而,钢结构具有一个严重的缺陷,即钢构件的耐火性能很差。普通钢材在时屈服强度下降至室温下强度的一半,在时基本丧失全部强度和刚度”。因此

10、,钢结构在火灾中很容易发生破坏甚至倒塌。最具代表性的钢结构建筑由于火灾而导致坍塌的案例是美国纽约世贸大厦,造成大量人员伤亡和严重的财产损失。美国政府随后列此次事故进行大规模调查研究,晟后得出结论之一就是:飞机的撞击只是对建筑的结构造成一定的损伤,但并不足以使大厦整体坍塌,而世贸大厦晟终倒塌的重要原因是飞机撞击后倾洒的航空煤油引发的大规模燃烧,使建筑结构在较短时自内失去其刚度和强度口,无法承受自身重量而倒塌.下图是飞机撞击世贸大厦后引起的火灾。第一章绪论幽 飞机撞击世鲋大堙后引起的火灾钢结构耐火性能差的缺陷也引起了许多学者和工程技术人员的兴趣,纷纷投入到对钢结构抗火性能的研究中。从单一的构件如对

11、梁、柱、节点等的研究,到大型整体结构研究,从实体试验研究到有限元分析研究.研究越来越广泛和深入。而在钢结构建筑中,梁柱节点是框架结构中的关键部位,对钢结构整体的安全性、完整性和稳定性有着至芒重要的作用。在火灾发生时,节点的破坏可能导致整个建筑结构的变形甚至垮塌。各类全尺寸试验也表明,节点在维持结构内力平衡、影响应力分布方面发挥着重要作用。鉴于梁柱节点在钢结构建筑中的重要作用,有必要对粱柱节点在火灾中热一力耦合作用下的性能变化进行更加深入的分析,可以通过试验和有限元分析的方法深入研究梁杠节点在各种受火方式,不同厚度防火滁层和不同刊降温速率下的性能变化,研究得出的结论可以更好地应用于工程实践中,为

12、钢结构抗火设计提供技术参考。.梁柱节点分类粱柱节点是指粱柱结台的部分,也被称为粱柱连接。粱柱节点在钢框架中起着关键的作用:它既可以有效的承受重力、外界风载等外部荷载,又能在地震中产生塑性变形,有效吸收和敞失能量,保证整体结构的稳定性。所咀兑梁柱节点是建筑结构中维持整体结构稳定的关键一环。根据连接的刚度将连接划分为刚性连接、半刚性连接和柔性连第一章绪论接,如图.所示,其中:丽/,万/啡,和吃分别为梁的塑性弯矩和塑性转角。/图. 节点分类刚性节点具有较高的抵抗弯矩的能力,梁柱之间没有相对转角,而且能显著减少梁的内力,同时因其构造简单而广泛采用。根据连接构造的不同,刚性节点又可分为翼缘连接和腹板连接

13、,而翼缘连接按照构造形式可分为以下几种【】:全焊节点?梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连,梁腹板也焊在柱翼缘上。翼缘焊接节点?梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连,梁腹板通过高强螺栓与焊在柱翼缘的剪切板相连。翼缘连接节点?墚翼缘不直接与柱翼缘相连,而是焊接或用螺栓连接在一块事先焊在柱翼缘的钢板上,梁腹板可以使焊接或栓接。端板连接?梁翼缘和腹板都焊接在一块较厚的端板上,短板用螺栓与柱翼缘相连。其中,梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连,粱腹板也焊在柱翼缘上的全焊接节点和综合采用焊接、螺栓连接的栓焊节接点,是现有钢框架结构中应用较为广泛的两种连接形式。下图是两种节点的示意图。第一章绪论全焊接节点 枪焊

14、接节点图.仝焊接节点和枪焊接节点的示意图.钢结构抗火对于建筑钢结构抗火性能的研究,首先需要掌握建筑火灾的发展过程,然后根据几个关键性指标,比如耐火时间、失效判据和临界温度等等,来衡量钢结构抗火性能的好坏。.建筑火灾发展过程建筑火灾的安全目标主要包括以下两币中【:、减少人员死亡,即保证建筑物内居民及着火建筑相邻建筑内居民的安全;、减少着火建筑及相邻建筑的财产损失。对于通常的可燃固体火灾,室内火灾大体分为个主要阶段,即火灾初期增长阶段、火灾的充分发展阶段和火灾衰减阶段【。第一章绪论图.室内火灾中的温升曲线在火灾初期增长阶段,火区的体积不大,总的热释放速率不高,室内的平均温度还比较低。如果房间的通风

15、足够好,火区将会发展到轰燃阶段,此时表现在曲线上就是温度陡然上升。在火灾充分发展阶段,热释放速率逐渐达到最大值,室内温度也达到最高,通常会在以上。这个阶段会对建筑物的结构造成很大伤害,产生的烟气也会对室内的人员造成危害。在火灾减弱阶段,一般认为,此阶段是从室内平均温度降到峰值的%左右时开始的。由于室内物品燃烧后释放的热量不会很快散失,室内的平均温度还是很高,建筑结构仍然承受着室内较高的温度荷载。.标准火灾温升曲线在钢结构试验和有限元分析中,温升曲线是描述外部温度变化的重要条件。但在早期研究中,有多种温升曲线供学者和工程技术专家进行选择。为了统一评价结构和构件的抗火性能,国际标准化组织在年给出了

16、标准温度随时间的变化曲线【】:卜丁一瓦式中:丁?着火房间空气温度:第一章绪论瓦?环境初始温度;?升温时间在我国的钢结构防火技术规范中,也按照此公式作为室内火灾空气升温曲线来对钢结构建筑进行抗火设计。通过多年的科研和工程应用,标准火灾温升曲线取得了很好的效果。然而,随着科技的不断进步,研究的不断深入,火灾场景的不断复杂等等因素,标准火灾温升曲线也表现出其的局限性。研究表明【,真实火灾与火灾荷载密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关,标准火灾曲线并不能准确反映火灾的真实情况。近年来,随着性能化设计.概念的提出,越来越多的学者提出并着手用更科学的能够代表建筑本身边界条件的自然火灾曲线代替标准火灾温升

17、曲线,来进行结构防火设计【】。.自然火灾温升曲线为了更好地反映在真实火灾条件,建筑结构所遭受的破坏程度,、】和:】等规范也允许结构火灾设计时采用实际的火灾升温曲线。目前在研究建筑结构火灾中应用较为广泛的自然火灾温升模型是.】基于牛顿冷却定律得到的经验模型。该模型是对卡丁顿试验中获取的火灾升温曲线进行拟合,并且又对许多学者所做的试验数据进行同样的处理,得到的结果同试验数据非常吻合,结果令人信服。所以.提出了并命名这个自然火灾模型曲线为“曲线”。“曲线”的基本方程为:瓦。枷一一帆其中,丁?任意时刻的温度;?。?在以上产生的最高温度:?坏境温度;第一章绪论。,?。发生的时间;?火灾持续时间;墨?韫度

18、一时间曲线的形状常数;可以看出,定义“曲线”只需要三个参数:空气最高温度瓦。、最高温度发生的时间气。,及曲线的形状常数。研究人员可以根据具体火灾场景中可燃物的数量、性质、分布情况及开口状况等等限制条件计算出空气的最高温度和最高温度发生的时间,利用高温分解系数确定曲线的形状系数,从而得到比较符合现实状况的温升曲线模型。.钢结构抗火失效判据在考虑钢结构火灾时的失效情况时,通常考察钢结构所承受的极限状态的强度和稳定性如何。在钢结构抗火试验中,主要测量构件内的温度分布,构件变形与受火时间的关系,构件所受应力变化等。和的研究表明,对于受弯构件和轴向受力构件,当其在火灾下的特征变形量或变形速率达到按下式确

19、定的数值后,就将迅速发生破坏,该准则也称为?准则,目前为绝大多数抗火试验所采纳。对于受弯构件梁板.。.一上一一上:或艿上式中,为构件的最大挠度,;,为构件计算跨度,;为构件截面高度,;为时间,。对于轴向受力构件.堂.艿 式中,为构件的轴向压缩变形,;为构件的长度,。第一章绪论对于节点抗火试验来说,。通常认为当其相对转角超过或.时此时刻梁的挠度到达/,就认为其达到极限状态【】。.耐火极限和临界温度耐火极限是指在标准耐火试验条件下建筑结构构件从火灾发生到结构构件达到抗火承载力极限状态的时间,主要标志是结构构件失去完整性、稳定性或隔热性。结构构件达到极限状念时的温度被称为临界温度。一般状况下,结构构

20、件内部各处的温度并不相同,通常采用结构构件界面的平均温度或是用一个具有代表性的部位温度作为其临界温度值。.国内外研究现状鉴于梁柱节点在钢结构建筑中的重要作用,国内外许多学者纷纷投入到对梁柱节点抗火性能的研究之中。对于钢结构节点的研究大体分为两种方式:实体试验研究和有限元分析,具体研究现状如下。.试验研究对梁柱节点火灾试验的主要目标在于建立独立节点的弯矩温度一转角关系,从而找到钢结构节点的耐火时间和临界温度。【】在年首次针对节点的抗火性能进行试验研究,他选用六种不同类型的节点,试验目的是研究高温下高强螺栓的性能,但在试验中节点的其它构件先于螺栓失效,因此并未得到节点抗火性能的相关数据。】首次对高

21、温下梁柱节点火灾性能进行了测试,结果表明,梁柱节点在火灾中具有的显著的弯矩承载力,可以达到常温时设计弯矩承载力的/。基于试验结果提出了简支钢梁抗火设计中考虑通过节点传递的弯矩的简单规则。此次节点试验尽管得到的数据有限,但却提供了最早的用于节点有限元分析的基础数据。.】采用恒载升温的方法,研究了构件尺寸、端板类型、厚度等对平第一章绪论齐端板/柔性端板节点火灾性能的影响,并给出了各种节点的弯矩.转角.温度曲线。隋炳强【、王卫永【】等对半刚性端板连接和刚性连接节点进行了试验研究和非线性有限元分析,指出节点构造特性、焊接质量等对节点抗火性能有影响作用。李晓东【】等对不同节点形式在火灾中的性能进行了试验

22、研究,指出火灾下节点破坏的现象和节点位置、连接形式、是否带加劲肋有关。胡军【】等对梁柱栓焊节点在火灾中的响应特性进行了试验研究和非线性有限元分析,指出火灾下栓焊节点的破坏和火灾温升模型、梁端荷载比、节点几何参数有关。总体来说,对于梁柱节点抗火性能的试验研究数量有限,这主要是因为:一方面节点抗火性能试验的成本非常高,重复性试验的代价很高;另一方面是试验条件本身的限制,比如加热炉尺寸的大小等等。由于这些客观因素的制约,对于梁柱节点抗火性能的有限元分析得到越来越广泛的应用。.有限元分析对钢结构节点的有限元分析就是根据对现实火灾条件的合理假设,选择较为准确的数据和参数,利用有限元软件对梁柱节点抗火性能

23、进行研究。这种研究方法具有成本低、重复性好等优点,经过近年来众多研究学者对现实火灾条件的深入研究和有限元分析软件的不断完善,有限元分析结果越来越能够准确的反映实际火灾中钢结构结构节点在热力耦合作用下的变化情况。首次采用有限元法对高温下梁柱节点的抗火性能进行了研究,此次分析中采用八结点壳结构单元对梁、柱、端板、节点等进行模拟,考虑了火灾中材料非线性、非均匀热膨胀及大变形的影响,随后开发了有限元分析模型用来预测高温下不同节点的性能。】采用软件对形节点及端板节点的高温特性进行了研究。分别采用了两种实体单元及预作用单元、接触单元分别对梁、柱、端板、螺栓进行模拟。和等采用软件对端板节点进行模拟。第一章绪

24、论隋炳强【】、王卫永【、胡军【】等也对各自的试验内容进行了非线性有限元分析,得出的分析结果与试验结果有较好的相关性,表明有限元分析方法可行,为研究梁柱节点在不同火灾条件下的结构行为提供了实用方法。.现有研究的不足尽管国内外的许多学者已经针对钢结构梁柱节点开展了许多有价值的研究工作,并取得很多的成果,但在节点研究的某些方面仍有许多不足之处,有待于深入研究和进一步完善:、从上述研究现状可以看出,对于目前广泛应用于建筑中的全焊接节点的研究较少,有必要对全焊接节点的抗火性能进行系统深入的研究;、现有梁柱节点的研究大都集中在单一的标准火灾曲线上,而对更符合真实火灾发展的自然火灾曲线下的节点响应特性研究较

25、少,有必要对节点在自然火灾曲线下的响应特性进行研究;、前人研究学者对于不同受火方式下对建筑构件抗火性能的研究主要集中于钢梁【、柱【】等构件,而针对梁枉书点在不同受火方式下抗火性能的研究很少,有必要进行深入研究;、目前很少有针对防火涂料对钢结构节点进行防火保护的研究,有必要深入研究防火涂层对节点抗火性能的影响;、目前还没有关于梁柱节点降温阶段方面的研究,不同降温速率对其应力应变的影响还有待研究;此外,在现实生活中,由于火源种类、火灾荷载等的不同,导致火灾时的升温速率有很大差异,不同的温升速率对梁柱节点在火灾降温阶段的性能影响如何,也有待于深入分析。.本文研究工作根据目前的研究不足,本文针对梁柱全

26、焊接节点的抗火性能进行深入分析,研究目标和研究的主要内容如下。第一章绪论.研究目标、分析验证有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性;、运用有限元分析方法比较全焊接节点与栓焊接节点两种不同连接方式在相同火灾条件下的差异;、揭示全焊接节点在不同升温条件、不同受火方式、不同厚度防火涂层和不同降温速率条件下的响应特性;、研究成果为钢框架中全焊接节点的抗火设计提供参考和依据。.研究内容在确定了本文研究目标的基础上,确定本文的研究内容为:、利用前人所完成的钢结构全焊接节点试验进行了有限元模拟的初步验证,分析验证有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性;、采用有限元分析方法,运用软

27、件对梁柱全焊接节点试件进行模拟计算,分析不同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示特定参数对全焊接节点的火灾响应特性,对比分析全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能;、利用有限元分析方法建立具有防火涂层的有限元模型,并设计分析方案研究不同受火方式对全焊接节点抗火性能的影响,研究不同防火涂层厚度对全焊接节点抗火性能的影响;、利用有限元分析方法建立了模型,研究不同降温速率对梁柱全焊节点抗火性能的影向,同时研究不同升温条件对节点降温段抗火性能的影响。.研究思路采用前人所做的试验对有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性进行验证,在此基础上对梁柱全焊接节点抗火性能各方面进行深入研究,图.是本论文整

28、体研究思路示意图。第一章绪论图.研究思路示意图.本文章节安排根据本文的研究内容和研究思路,确定本论文的章节安排如下:第章是本文的绪论,主要介绍本文的研究背景、梁柱节点的分类方式、国内外对于钢结构节点的研究现状以及本文的研究目标、研究内容和研究思路。第章主要介绍结构钢在高温下的热工性能和力学性能,为接下来的试验研究和有限元分析奠定基础。第章首先介绍了有限元基本理论,对前人所完成的钢结构全焊接节点试验进行了有限元模拟验证,对有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性进行分析验证;然后运用软件对梁柱全焊接节点试件进行模拟计算,分析了不同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示了特定参数对全焊接

29、节点的火灾响应特性,对比分析了全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能。第章利用有限元分析方法,首先建立了具有防火涂层的有限元模型,并设计分析方案;然后分析了不同受火方式对全焊接节点抗火性能的影响;最后讨论了不同防火涂层厚度和不同温升条件对全焊接节点抗火性能的影响。第章利用有限元分析方法建立了有限元模型,并选取了不同的降温速率;其次设计分析方案,研究了不同降温速率对梁柱全焊节点抗火性能的影响;最后探索性的研究了不同升温条件对节点降温段抗火性能的影响。第章回顾了本文的主要研究结论,总结了本文的创新点,并提出下一步的第一章绪论工作展望。第一章绪论参考文献:【李国强.蒋守超.林桂祥.钢结构抗火计算与设计【】

30、.北京:中国建筑工业出版社。. 【】.【. :.: . , ?:,.【】胡军.梁柱栓焊混合边:竹点火火响应特性研究【】.中国科学技术人学博士学位论文.【】 : , .,【】霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全.:样导论】.合肥:中国科学技术人学出版社,.【】. ,. , , .火火科学, :.【】.,;:】.【】:. :. ,.,.,. .: ,., ,.【】. .,:?. . .【 ,.】.,. ,.【】.?,.,., :第一章绪论】隋炳强.钢结构中节点火灾行为的试验研究及有限元分析【】.青岛理工大学硕士学位论.】王卫永等.钢结构节点火灾下的升温试验研究和理论分析】.青岛理工大学学报,一.,:【

31、】李晓东.型截面钢框架抗火性能的试验研究【】.两安建筑科技人学博十学位论文,. 【.。. .:?.。【】.,.:. .,., :, .玎 ,.: ,?.,:【】.,. ? .【】, ,:【】千卫永,董毓利,隋炳强.焊接钢框架边肖点抗火性能试验【】.东南人学学报自然科学版,:.第二章结构钢高温特性第二章 结构钢高温特性通常在对钢结构进行高温试验研究之前,要对结构钢的高温特性进行全面的了解,而且在对钢结构进行有限元分析时,也需要输入合理的特性参数,爿能有效提高分析的准确性。本章将对结构钢的热工性能和力学性能进行全面的介绍。.结构钢的热工性能结构钢的热工性能通常包括导热系数、比热容、热膨胀系数和密度

32、等,具体介绍如下。.导热系数钢作为良好的导热体,具有较大的导热系数,总体而言,钢的导热系数随温度的升高而减小,以下是各国规范中给出钢的导热系数的取值:欧洲规范】给出的导热系数是:以.也互/?。巧。?/?。以. 乃。其中推荐的导热系数为:?矿/?。五英国规范.】通常采用常数,即:以./?同本建筑物综合防火设计规范采用的导热系数为:?/?。五.×我国上海建筑钢结构防火技术规程/.【】采用的导热系数为:丑形/?在以上各式中,表示钢的温度,第二章结构钢高温特性.比热容结构钢的比热容随温度变化而变化,而且变化范围比较大。欧洲规范【给出的比热容是:.。 /?。.一面,他。蜊?,/姆?互。一面?/

33、。其中推荐的比热容为:? /同本建筑物综合防火设计规范采用】:.。誓/?英国规范.】和】给出的比热容为:.电 。巧/尼?这两个规范给出的推荐值为:./。.热膨胀系数热膨胀系数是表征物体热膨胀性质的物理量。钢构件在火灾中受到高温作用而产生热膨胀。一般来说,钢热膨胀系数随着温度的升高会发生变化,但变化幅度不大,欧洲规范、英国规范】和】中推荐的热膨胀系数为:面.×。一聊/.第二章结构钢高温特性日本建筑物综合防火设计规范采用的热膨胀系数为:?/?。.×上海建筑钢结构防火技术规程/.【】采用的热膨胀系数为:?/?。啦.美国采用的热膨胀系数是:?/?。哎.澳大利亚规范】采用的热膨胀系数

34、为:由/?。吼 .×中国钢结构设计规范.规定的热膨胀系数为:?.一/?。.密度钢的密度通常取为常数:成/。.结构钢的力学性能结构钢的力学性能一般包括结构钢的初始弹性模量、泊松比、等效屈服强度、高温下结构钢的蠕变和松弛以及应力应变关系等。具体内容如下:.初始弹性模量欧洲规范】通过表格的形式给出高温下普通结构钢的初始弹性模量在不同温度下的降低系数,如表.所示。表.采刖的结构钢高温名义屈服强度及初始弹性模量折减系数钢材温度 /叮/. ,以,。. . . . .第二章结构钢高温特性. . . . . . . . . . . . . . . . . .建议按以下公式对高温下结构钢的初始弹性模量

35、进行计算:? ,/. .× 卸. .巧. ?/.叫. 骚澳大利亚规范 】给出的计算公式为:?曼/.?主上.。/:百.,丁一.通过对各国规范中介绍的方法比较后发现,当钢的温度超过时,各国规范计算出的弹性模量相差较大,而这种差别导致高温下结构的变形和极限状态的计算结果有较大的差异。目前国内多采用中的计算方式。.泊松比在材料的比例极限内,由均匀分确珀勺纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值称为泊松比。钢材的泊松比受温度的影响较小【】常温时约为.,时约为.,在是约为.。因此,高温下钢结构抗火分析与计算时,泊松比可按常数考虑,即:.第二章结构钢高温特性.等效屈服强度目前国外规范对

36、高温下结构钢的屈服强度有多种取值方法,但还没有形成统一的定义:欧洲规范】取%应变作为名义应变来确定钢材的名义屈服强度。.】给出了三个名义应变水平的强度,以适应各类构件的不同要求,即%应变用于有防火保护的受弯组合构件;.%应变用于受弯构件;.%应变用于除上述两类以外的构件。】规定,当温度超过。时,以.%应变作为名义应变,当温度低于是,则在常温时.%应变与高温时.%应变之问插值。】采用.%应变定义名义屈服强度。在我国进行钢结构设计中,通常采用偏保守的模型。.高温下结构钢的蠕变在一定的温度下,金属受持续应力的作用产生缓慢的塑性变形的现象即为蠕变,它是高温结构完整性理论的基础。高温蠕变是对钢结构破坏的

37、最主要形式。,、摹、一一一谈烈厶对同图高温下结构钢的蠕变曲线图表示高温下结构钢的蠕变曲线,通常分为三个阶段描述蠕变:第一阶段表示蠕变速率的逐渐降低,第二阶段或稳态蠕变阶段的蠕变速率基本为常数,第三个阶段即为蠕变速率加剧的阶段,最后的结果是导致构件断裂。目自仃描述钢结构蠕变的理论很多,包括理论、蠕变恢复理论、固念力学方程理论、应变恢复理论、成核理论等,但是还没有一种理论能全面地描述和第二章结构钢高温特性解释蠕变过程中发生的现象。下面介绍两种较为有影响力的模型:高温瞬时蠕变模型理论认为金属高温短期蠕变值与应力和应变无关。模型的核心是把温度和时间变量合成一个变量?温度补偿时间来表示。厂胡/式中:?韫

38、度补偿时间,:胴一蠕变激活能,/;尺一气体常数,/?;一时间,。同本的?模型钢的初始蠕变,等在大量试验的基础上,拟厶徂山表达式如下.占。.:。等:.仃鲁.,.。式中:占,一初始蠕变,%;一钢的绝对温度,;一重力加速度,/:盯一应力,/;一时间,;上式中。,。,为材料常数,对应钢的值分别为.,.,.,.,。.。.高温下机构钢的松弛在一定的温度下,一个受拉或者受压的金属构件,若使用过程中总变形保持不变,则应力会自发下降,这种现象称为松弛。典型。厶。也曲线可以分为两个阶段,对于火灾中的松弛问题,松弛的第一阶段起主要作用,一般考虑第一阶段即第二章结构钢高温特性可。高温下金属材料的松弛现象起因于蠕变现象

39、,所以可以把它看作是变动应力下的蠕变问题之一。因此,蠕变的变形理论也适合用于松弛问题。松弛过程中的应变关系可用下式表示:占,占仃仃,仃,疋,式中占倒为总试件应变,占。,为由应力产生的应变,与试件所受应力大小和材性受温度影响有关,为温度和应力同时变动情况下的蠕变。.应力?应变关系大量针对钢材的高温材料试验研究表明,当温度低于时,钢的弹性模量和强度变化不大;当温度超过时,即发生所谓的“塑性流动”,当温度超过后,应力.应变曲线就没有明显的屈服极限和屈服平台,强度和弹性模量。明显减少【高温下结构钢的总应变占由三部分组成,即由应力产生的瞬时应变毛,蠕变毛.和由热膨胀产生的应变靠:?占,?式中:一钢材温度

40、的变化量,;哎一热膨胀系数,/?。总应变与应力过程和升温过程有关,当构件的升温速度在一/内且构件温度不超过时,蠕变较小,一般将蠕变包括在毛中一起考虑,而不另外考虑蠕变的影响【】,因此也不考虑应力过程和升温过程对总应变的影响。这罩所说的应力应变关系实际上指的是应力仃和由应力产生的应变毛之间的关系。国内外学者通过试验总结了不同钢材在高温下的应力.应变曲线,并建立了相应模型,其中最简单的是分段直线模型,即给出在一定温度下各控制应力点的应变值,在相邻控制点之问连直线即可。另外还有表达式比较复杂的连续光滑模第二章结构钢高温特性型,这类模型比较少,应用最多的是椭圆模型,其表达式为】:似,铲私×等

41、×三?盯式中:一温度时钢的弹性模量;脚罐度时钢的.%屈服应力。欧洲规范】中给出的结构钢不考虑强化的高温应力一应变模型如表.所示,对应的应力.应变曲线见图.。表.高温应力心变模型应变范围 应力仃切线模量醛口. 占.一.?醛.?/以口一.?以口一占.,一。÷.艇.,.矗,心焉汀.。./.;。.;.;。.口.一占.叮一.式中参数¨一./.岛一.。.一占.,.一.一.一,其中,厂一有效屈服强度巳,一极限应变.,一比例极限第二章结构钢高温特性,一屈服应变一比例极限应变.一对应屈服强度的最大应变耳一初始弹性模量。哪钿 詹 岫咖图. 碳索钢高温应力.应变曲线总的来说,曲线模型比

42、分段直线模型复杂,但前者与实验所得的高温下的钢材应力一应变更为相似,且自仃者得到的应力一应变关系曲线是光滑的,具体计算时更易于收敛。在进行抗火计算和分析时应根掘采用的力学模型,求解方法及精度要求柬决定选用何种应力一应变模型。.本章小结全面了解结构钢的热一力特性是展丌钢结构的试验研究和有限元分析的前提条件。本章主要介绍了结构钢的热工性能和高温下的力学性能,并结合前人的研究对结构钢各种重要的性能进行了系统的总结,为接下来对梁柱全焊接节点的试验研究和有限元分析奠定颦实基础。第二章结构钢高温特性参考文献【】. : .: . , 一?:,.?:.【】 :. , ,.【】孙金香,高伟译.建筑物综合防火设计

43、【】.天津科技翻译出版公司,.【】建筑钢结构防火技术规程/?,上海,.【】. . 【】,. .【】,“ “,.【】钢结构设计规范.,北京:中国计划出版社,.【】削军.梁柱栓焊混合边,点火灾响应特性研究【】.中国科学技术人学博十学位论文.【】安江涛.快速温升条件卜.钢结构的响廊特性研究【】.中国科学技术人学学十学位论文,.】周煜琴.钢结构的防火涂层不均匀性及其温度场分段处理研究【】.中国科学技术人学硕学位论文.】毛少华.横向尺寸不足的钢结构耐火温度研究【.中国科学技术人学学学位论文,.第三章不同升温条件和参数对节点抗火性能的影响第三章不同升温条件和参数对节点抗火性能的影响.引言钢结构梁柱节点是钢

44、结构建筑的重要组成部分,在保持结构整体完整性和稳定性等方面起着至关重要的作用。目前,应用最为广泛的钢结构梁柱连接方式是全焊接连接和栓焊接连接,这两种连接方式在施工安装、经济指标等方面具有很大的优越性。但钢结构具有耐火性能差的缺陷,其力学指标在火灾时会出现显著的变化,这种变化可能会导致整体结构的变形、失稳甚至坍塌。而节点作为钢结构连接的关键部位,一旦在建筑火灾中发生破坏,就很有可能导致整个建筑的垮塌,造成巨大人员财产损失。鉴于梁柱节点在钢结构建筑中的重要作用,梁柱节点的抗火性能已经成为国内外学者的研究热点之一。然而,目前针对钢结构节点的研究主要集中在栓焊接节点,而对于目前广泛应用于建筑中的全焊接

45、节点的研究较少;而且现有节点研究大都集中在标准火灾曲线上,而对更符合真实火灾发展的自然火曲线下的节点响应特性研究较少。研究表明【】,真实火灾与火灾荷载密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关,标准火灾曲线并不能反映火灾的真实情况。此外,节点的参数变化如荷载比等也对节点的抗火性能具有相应的影响。因此,研究不同升温条件下、不同参数等对全焊接节点的火灾响应具有重要意义。本章首先介绍了有限元基本理论,对有限元分析方法进行了系统全面的介绍;其次对前人所完成的钢结构全焊接节点试验进行了有限元模拟验证,对有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性进行分析验证;最后采用有限元分析方法,运用软件对文献中

46、相同尺寸的梁柱全焊接节点试件进行模拟计算,分析了不同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示了特定参数对全焊接节点的火灾响应特性,对比分析了全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能,并根据分析结果,为钢结构全焊接节点的抗火设计提供技术参考。第三章不同升温条件和参数对节点抗火性能的影响.有限元基本理论.有限元分析方法概述有限元分析方法是将结构离散成有限个单元,以单元的结点位移为基本未知量,运用力学原理解方程求出结点位移,再由内力和位移的对应关系求出内力。有限元法具有较好的求解稳定性和收敛性,有限元分析技术作为一种运用计算机工具的数值分析方法,可以对各种力学问题进行有效的处理【。有限元法具有概念清晰,易操作,

47、适应性强等特点,并且该法采用矩阵形式更加便于编制计算机程序,可充分利用计算机资源进行模拟计算。有限元法的分析过程概括起来分为六个步骤【】:、结构的离散化结构的离散化是有限元法的基础。所谓离散化的过程就是将分析的结构划分成有限个小的单元体,并在单元体的指定点设置结点,把相邻的单元体在结点处连接起来组成单元的集合体,以代替原来的结构。作为有限元法分析的第一步,结构的离散化关系到计算精度和计算效率,是有限元法的基础步骤,包含以下三个方面的内容:单元类型的选择。离散化首先要选定单元类型,包括单元形状、单元结点数与结点自由度等内容。单元划分。节点编码。、选择位移模式在结构的离散化完成之后,就可以对典型单

48、元进行特性分析。此时,为了能用结点位移表示单元体的位移、应变和应力,在分析连续体问题时,必须假定单元的位移是坐标的某种简单的函数,称为位移模式或位移函数。位移函数的适当选择是有限元方法分析中的关键,在有限元法应用中,普遍选择多项式作为位移模式。一般说来,多项式的项数应等于单元的自由度,阶次应包含常数项和线性项。根据所选择的位移模式,就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式,其矩阵形式是:第三章不同升温条件和参数对节点抗火性能的影响厂】孵其中:为单元内任一点的位移矩阵;万。为单元的结点位移矩阵;【】称为形函数矩阵,它的元素是位置坐标的函数。、分析单元的力学特性位移模式选定以后就可进行单元

49、力学特性的分析,导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。它包括下面三部分内容:利用几何方程,由位移表达式.导出节点位移表示单元应力的关系式:四【】【舻.式中,盯是单元内任一点的应力列阵;【】是单元材料有关的弹性矩阵。利用虚功原理建立作用于单元上的结点力和结点位移之问的关系式,即单元的刚度方程:【】科.式中,】称为单元刚度矩阵七【】上式的积分应遍及整个单元的体积。、计算等效结点力弹性体经过离散化后,假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元,但是作为实际的连续体,力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因此,这种作用在单元边界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到结点上,

50、也就是用等效的结点力来替代原有作用在单元上的力。移置的方法是按照虚功等效的原则进行的。、集合所有单元的刚度方程,建立整个结构的平衡方程这个集合过程包括两个方面:一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的刚度矩阵;二是将作用于各个单元的等效结点力列阵集合成总的载荷列阵。最常第三章不同升温条件和参数对节点抗火性能的影响用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说,集合所有依据的理由是要求所有相邻的单元在公共结点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵足】,载荷列阵【】及整个问题的结点位移列阵万表示的整个结构的平衡方程:【础万八.这些方程还应在考虑几何边界条件作适当的修改之后,才能解出所有的未知结点位移。

51、、求解未知结点位移和计算单元应力由结合起来的平衡方程组.解出未知位移,最后就可利用式.和已求出的结点位移计算各单元的应力,并整理出所要求的结果。.温度场的有限元分析运用有限元的方法对物体内部的温度场进行分析,主要是求解物体的温度随时间、位置的变化情况。有限元分析方法中对物体内部温度的求解是从热传导、热对流和热辐射三个方面进行的。热传导火灾发生时,钢构件的温度升高主要是由于与高温烟气、日的对流、辐射交换热量,而钢构件内部通过热传导来传递热量,其温度场为无内热源三维瞬念温度场,根据傅罩叶导热定律及热平衡原理,可得到构件导热微分方程射昙鼍导五等鲁五詈瓦其中一材料密度,/。/?曲;一材料比热,一时刻点

52、,处的温度,。旯一材料导热系数,/?;时间,。为求解上述热传导方程,还需知道必要的条件,如物体在初始温度分佰和物体的升温边界条件。对于钢构件来说,在火灾中的温度升高主要是由于与高温烟气问热量交换,这种边界条件在传热学上属于第三类边界条件【】,即己知物体边第三章不同升温条件和参数对:肖点抗火性能的影响界上任意一点所有瞬时的对流放热条件、热辐射条件,即%留.:毽五一乙和分别为周围介质和物体表面温度,;为对流换热系数。热对流对流换热是指当一个表面和一种运动流体处于不同温度时,它们之间发生的传热。对流换热的基本公式是牛顿冷却公式,即一互其中和分别为周围介质和物体表面温度,;为对流换热系数。在上式中,的

53、大小反应对流换热的强弱,影响对流换热系数的因素主要有:流动状态及流动起因,流体的物理性质,流体有无相变和换热面的几何形状,大小和相对位置等。对钢结构构件在火灾中以对流方式与空气问的换热量可表示为【】:?。.口。.一瓦其中和瓦一分别为周围介质和物体表面温度,;哎一为对流换热系数,对于纤维类燃烧火灾,可取口。./.,对于烃类燃烧火灾,可取哎/.:一单位时间向构件单位表面积上传递的热量,/热辐射热辐射是指由于热的原因而产生的电磁波辐射,只要物体的温度高于“绝对零度”,物体就不断地把热能变为辐射能,向外发出热辐射。同时,物体亦不断地吸收周围物体投射到其表面的热辐射,并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射传热是物体问相互辐射和吸收的总效果。对于火灾中的钢构件而言,热空气以热辐射方式向钢构件传递的净辐射热量可按下式计算:一口,占,.?仃。?矽一瓦式中,和瓦分别为周围介质和物体表面温度,;第三章不同升温条件和参数对节点抗火性能的影