某高炉室外钢框架柱抗火性能研究

室外钢结构受火情况特殊,采用标准火灾升温曲线加载过于保守,因此宜结合实际火灾场景考虑。本文结合火灾模拟软件FDS与有限元软件ABAQUS,分析了某高炉室内火灾场景下的空气温度场分布,获得了室外钢柱表面热烟气温度,并通过公式计算出考虑火焰辐射作用的钢柱升温;将得到的钢柱温度导入有限元力学模型进行热力耦合分析,研究了高温作用下钢柱的变形以及截面应力分布情况,分析了受火过程中钢柱轴向位移的变化特点,比较了荷载比对受火钢柱位移的影响,结果表明:钢柱高温下轴向变形可分为三个阶段,即膨胀、压缩和破坏阶段;钢柱受火后支座处截面应力最大,且各柱支座截面应力分布类似;荷载比越大,钢柱受火后轴向压缩变形越大。     

爆炸荷载作用下钢结构的动力响应与破坏模式

采用对空气扩散有限制的典型爆炸超压模型,考虑应变速率和损伤累积效应对钢材的影响,应用ABAQUS有限元分析软件,对钢柱和平面钢框架在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏模式进行了数值模拟和分析。结果表明:采用Johnson-Cook本构模型以及考虑损伤累积效应的失效准则,可以有效地模拟钢结构在爆炸荷载作用下的动力反应;降低柱顶集中荷载或者减小柱长度,可以有效地提高钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力;在爆炸荷载作用下,钢柱产生不可恢复的塑性变形而丧失承载能力,是平面钢框架发生整体倒塌的主要原因。     

框架柱在爆炸冲击荷载作用下动力系数及破坏模式研究

在爆炸冲击荷载作用下,结构底层柱的破坏可能会导致结构的连续倒塌。本文综合考虑了不同柱端约束条件和不同折合距离的影响,运用LS-DYNA分析了爆炸荷载作用下三组钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式。混凝土采用脆性损伤模型并考虑损伤及应变率效应,通过建立三维实体柱模型,得到动力系数、柱破坏模式及不同折合距离的柱中节点位移时程曲线。结果表明,相同的T/Tw,爆炸荷载作用下两端固接柱的动力系数比一端固接一端铰接柱的大,钢筋混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的侧向位移随着折合距离的增大而逐渐减小,当折合距离Z2.0时,爆炸冲击荷载对柱的影响可以忽略。     

爆炸荷载作用下平面钢框架变形形态研究

本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA研究单榀钢框架在爆炸荷载作用下的变形形态。分析中考虑了爆炸作用时间和荷载峰值对其变形形态的影响。结果表明:在爆炸荷载作用下,结构变形形态具有局部性和弱传递性,即爆炸区的梁柱首先产生大变形并伴随大量塑性应变,最后在横梁和立柱端部达到材料失效应变而断裂;结构的破坏发生在框架的梁柱节点部位,故协调框架梁柱节点的刚度可以延缓破坏的发生。在荷载峰值相同的情况下,受荷横梁跨中节点的变形对应作用时间2~10ms分别增大3~23倍;在作用时间相同的条件下,受荷横梁跨中节点的变形对应荷载峰值1200~4800kN/m分别增大3.27~6.93倍。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式

在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土构件和结构的动力响应较之地震荷载和静态荷载作用下要复杂得多。运用有限元显式动力分析软件LS-DYNA,建立了典型钢筋混凝土柱的三维有限元模型,该模型对钢筋混凝土采用分离式建模,并且考虑了材料的应变率效应和钢筋与混凝土间的粘结滑移。在该有限元模型的基础上,通过对爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱动态响应的数值模拟,研究了钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下可能的破坏模式及其规律。同时,运用参数化分析方法,研究了截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度、纵筋配筋率和配箍率等参数对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应的影响,在数值模拟结果的基础上,分析提出了钢筋混凝土柱抗爆设计时应当注意的问题。研究结果表明:在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土柱的破坏模式不仅和自身的特性有关,还取决于爆炸荷载的类型。提高柱截面惯性矩和混凝土轴心抗压强度,能够显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的柱中水平位移,从而提高其抗爆性能。增加配箍     

高温蠕变对高强度Q460钢柱抗火性能的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显的蠕变变形,从而对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大的影响。为了研究高温蠕变对高强度Q460钢柱抗火性能的影响,采用ANSYS有限元程序建立了考虑蠕变的钢柱抗火分析模型,利用普通钢柱试验数据对其进行了验证。引入高强度Q460钢材在高温下的力学参数和高温蠕变参数,利用有限元方法进行了考虑蠕变效应的高强度Q460钢柱在多个参数下的抗火分析,与普通钢柱和现行CECS 200∶2006《建筑钢结构防火技术规范》的计算结果进行了对比。结果表明:长细比、荷载比、升温速率对考虑蠕变效应后高强度Q460钢柱的抗火性能有明显的影响。高强度Q460钢柱的抗火性能优于普通钢柱,CECS 200∶2006中钢柱的抗火设计结果不适用于高强度Q460钢柱。     

爆炸荷载下不同约束钢筋混凝土柱的响应分析

结构底层柱在爆炸冲击荷载作用下的破坏会导致整体结构连续性倒塌。本文以理论分析为基础,运用有限元软件LS-DYNA对爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应进行数值模拟。通过建立三维实体钢筋混凝土柱模型,对混凝土材料采用了脆性损伤模型,分析了不同约束情况的柱在不同折合距离时的侧向位移和失效模式。结果表明,不同折合距离下的两端固接柱的压力云图和x向位移具有明显的对称性,相同折合距离下的一端固接一端简支柱的最大压力和x向最大位移均大于两端固接柱。     

钢筋混凝土柱在冲击荷载作用下破坏模式的研究

推导了钢筋混凝土柱在冲击荷载作用下弯曲型变形与直剪型变形两种单自由度模型动力反应计算公式,并尝试将构件几何尺寸、材料力学性能以及冲击荷载都作为随机变量,考虑荷载不同持时及不同峰值,用打靶法计算了一个实例构件在瞬时冲击荷载作用下的破坏概率,为初步判断构件的破坏模式提供依据。计算结果表明荷载持时与峰值是决定结构构件破坏模式的重要因素。     

预应力轴压撑杆钢柱高温性能试验研究与数值分析

为研究预应力轴压撑杆钢柱的高温性能，进行了2根预应力撑杆钢柱高温试验。试验结果表明：拉索无防火措施时，其相对张力在初始升温阶段就迅速下降，直至完全松弛；预应力撑杆钢柱的轴向变形先由于热膨胀效应轴向伸长，而后在压力作用下轴向压缩；临界状态时，撑杆柱出现对称和反对称两种失稳形态。采用验证后的ANSYS有限元分析模型，考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷等，分析了荷载比、相对轴向刚度比和预应力比等3个关键参数对预应力撑杆柱高温性能的影响，得到了一系列拉索相对张力、侧向变形和轴向变形分别与时间的关系曲线。分析表明：预应力撑杆柱中拉索张力很快在高温下逐渐松弛，达到张力松弛所需时间主要受预应力比影响；预应力撑杆钢柱的侧向变形在升温初期缓慢增长，在失效前增长迅速；随着荷载比增大，预应力撑杆柱侧向变形和轴向变形越来越明显，且达到峰值所需时间不断缩短；预应力比对撑杆钢柱失效临界温度影响较小，但对预应力撑杆柱的破坏形态有较大影响。     

圆钢管混凝土柱抗冲击性能试验与有限元分析

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明:在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

单层球面网壳火灾爆炸动力响应

以K8型单层球面网壳为研究对象,考虑几何非线性和温度对材料性能的影响,完整模拟了单层球面网壳在发生火灾的不同阶段受到爆炸冲击作用时的动力性状。据B-R准则,通过爆炸峰值超压与结构动力特征响应之间的关系,可判定K8型单层球面网壳在不同火灾阶段,爆炸冲击作用下的动力稳定性临界峰值超压。分析了单层球面网壳的矢跨比、屋面荷载、约束布置等参数对其在不同火灾阶段的爆炸冲击动力稳定性的影响。研究表明:火灾对网壳结构在爆炸冲击作用下的动力稳定性有较大影响,当网壳杆件最高温度达500℃以上时,结构的抗爆能力明显降低。矢跨比、屋面质量、约束布置对网壳在火灾不同阶段的抗爆能力均有不同程度的影响。     

Experiment and FEA of impact resistance of CFST columns with circular cross-section

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明：在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

高温蠕变对冷弯薄壁型钢柱抗火性能的影响

钢材高温蠕变是钢材在高温和应力作用下的塑性应变.高温蠕变会导致钢柱变形增大,耐火极限降低.为了考察高温蠕变对冷弯薄壁型钢柱抗火性能的影响程度,建立了考虑高温蠕变的抗火分析有限元模型,通过试验结果对有限元模型进行验证.利用模型研究了在不同荷载比、轴向约束刚度比、升温速率和火灾场景下,高温蠕变对冷弯薄壁型钢柱抗火性能的影响.研究表明,在有限元模型中考虑蠕变因素后,对于钢柱抗火性能的预测更为准确,更符合真实情况;在中等升温速率的火灾场景中,荷载比为0.3左右的无轴向约束钢柱因高温蠕变而引起的耐火极限的降低最为显著.     

RC板爆炸冲击试验及数值模拟研究

采用爆炸冲击模拟试验和LS-DYNA三维有限元软件,对爆炸冲击作用下RC板的变形破坏损伤机理及变形破坏特征进行了研究,研究发现爆炸冲击荷载作用下,采用数值计算模型能够准确的模拟混凝土的性能。     

基于分离式共节点模型的钢筋混凝土柱抗爆加固效果研究

为研究钢筋混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下外覆钢板加固对柱抗冲击变形能力的提升效果,根据钢筋及混凝土材料的动态本构模型,选取合适的参数,建立了钢筋-混凝土分离式共节点的实体模型,并结合CONWEP爆炸载荷及动态松弛法,利用大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟钢筋混凝土构件在爆炸载荷下的响应,并对比不同厚度外覆钢板加固对柱的抗冲击变形能力的增强效应。对数值模拟结果与试验结果对比分析得出:分离式共节点模型可以充分体现钢筋混凝土柱构件在爆炸冲击作用下钢筋和混凝土材料的不同破坏特性,与试验结果符合的较好。且计算结果显示,随着外覆钢板厚度的增大,受冲击荷载的钢筋混凝土柱端转角减小,且加固钢板厚度对爆炸后柱端转角的影响减小。     

爆炸荷载作用下工字钢梁非线性有限元分析

利用大型通用有限元软件ABAQUS对工字钢梁在爆炸荷载作用下的动力响应进行数值计算,分析过程中考虑了应变速率对钢材性能的影响。通过调整爆炸荷载的施加方式和工字钢梁支座边界等参数,得到了爆炸荷载作用下,工字钢梁在不同条件下的跨中位移响应、破坏形态、跨中Mises应力变化与时间的关系和梁中塑性耗散能的变化,并对结果进行了分析比较。     

爆炸荷载作用下平板网架结构破坏倒塌分析

主要研究4种不同柱布置形式的平板网架结构在受到室外爆炸荷载作用时的动态响应行为和破坏倒塌模式,并分别计算不同边柱作为爆炸荷载受力柱时的极限爆炸压强。采用Johnson-Cock修正模型模拟在爆炸荷载作用下低碳钢材料的本构关系,综合考虑钢材塑性强度强化、应变率效应、物理损伤等力学特性。利用有限元显式求解器和相应辅助子程序实现对平板网架结构在爆炸荷载作用下结构响应、破坏和倒塌过程的数值模拟。研究表明,柱布置方案对平板网架结构的抗爆能力影响明显,且不同边柱受爆条件下平板网架结构的抗爆性能存在差异。     

钢筋混凝土柱抗爆性能研究

计算机计算能力的提高,使得混凝土结构在遭受爆炸等极端冲击荷载作用下复杂响应的高精度模拟成为可能。本文采用流体动力学软件AUTODYN,考虑气体和结构间的流固耦合作用,对爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的抗爆性能进行了数值模拟,通过不同的工况的比较,分析了钢筋混凝土柱的破坏模式。     

冷弯薄壁四肢拼合箱形截面柱抗火性能研究

冷弯薄壁型钢四肢拼合截面柱是一种常用的拼合柱,主要用于多层冷弯薄壁型钢结构建筑结构中承受集中荷载。对8根拼合箱形截面柱进行了高温下整体稳定试验研究,主要考虑了不同的温度纵向分布模式和螺钉布置方式对其抗火性能的影响。试验中测得了炉温、柱温、轴向荷载、轴向位移和侧向位移等,并且得到了钢柱在高温破坏后的残余变形。根据试验结果可以判断钢柱在高温下首先发生整体屈曲,再发生局部屈曲,最后在二者相互作用下失去承载能力。试验结果表明：当螺钉间距小于300 mm时,构件截面的协同变形能力良好,单肢构件间未出现分离的现象,且随着螺钉间距减小,钢柱失效的临界温度有较大的提升;在拼合柱端部设置抗剪螺钉群对其抗火性能的提升不明显;当构件由全长受火变为上半部分受火时,构件侧移最大点位置会由中部区域向上移动靠近柱端,且达到耐火极限时,钢柱失效的临界温度升高。基于ABAQUS建立了有限元模型,模型中考虑了材料与几何非线性以及高温下螺钉的抗剪刚度。有限元模拟结果与试验结果对比发现,该有限元模型不仅可以很好地模拟该类构件高温下的变形,也可准确地预测其耐火极限与临界温度。     

喷水快速冷却下高温约束钢柱抗火性能

为研究火灾中高温约束钢柱受到喷水快速冷却过程的抗火性能,通过对不同冷却水温、冷却水量和冷却位置作用下的约束钢柱抗火性能试验,分析了不同冷却条件下高温约束钢柱的破坏形态、柱中部水平相对位移、柱顶轴向位移、轴力等。结果表明:温度达到800℃的约束钢柱,受到温度高于6℃与低于5℃喷淋水的快速冷却作用时,钢柱的受力和变形存在明显的差异。在相同流量和冷却位置下,低于5℃喷水作用过程产生的轴力、弯矩和变形最大值要比6℃以上喷水作用要大20%以上。同时,冷却位置对约束钢柱的轴力和变形也有较大影响,柱中部喷水冷却时轴力和变形最大,柱顶次之,底部附近喷水冷却时最小,且在柱中部和顶部喷水冷却时产生的最大弯矩达到按照ISO-834标准升温过程的2倍以上。而喷水快速降温过程中,水量的变化对约束钢柱的轴力和变形影响相对较小。