不同约束下H型钢柱火灾行为的非线性分析

随着钢结构在建筑工程中发挥着日益重要的作用,其防火问题成为一个不可回避的重大课题。因此,钢结构在火灾温度场下的破坏机理研究显得尤为重要。本文假设火灾温度场为ISO834曲线,考虑热辐射和热对流共同作用的四面受火情况,通过有限元数值方法模拟了H型钢柱随时间变化的温度场分布。根据热传导得到的瞬态温度场,并且考虑到钢材物理特性随温度变化引起的材料非线性及几何非线性,进行了受压钢柱在不同约束条件下的热应力分析。论文分别对两端铰支、两端铰支且限制轴向位移等情况下,H型钢柱随温度变化的应力、位移等热响应进行了模拟计算。结果表明,轴向约束的提高在一定程度上降低了高温下钢柱的极限承载力及极限温度承载力。     

约束高强度Q460钢柱抗火性能试验

为获得高强度Q460钢柱的抗火性能,采用火灾试验炉对4个约束Q460钢柱进行抗火性能试验,试验采用恒载升温模式和ISO-834标准升温曲线,考虑了两个约束刚度和两个荷载比,测量了钢柱受火过程中的温度、轴向位移和跨中挠度,并得到了约束Q460钢柱的屈曲温度和破坏温度,采用约束钢柱的轴力放大系数方法计算了试件的破坏温度并和试验结果进行对比.研究表明:轴向约束刚度和荷载比对Q460钢柱的抗火性能影响较大,相同荷载比下轴向约束刚度大的钢柱破坏温度低,相同约束刚度下荷载比大的钢柱破坏温度低;轴力放大系数方法可以确定约束高强度Q460钢柱的临界温度.     

横向荷载作用下钢柱厚型防火涂料破损试验

为研究钢柱上厚型防火涂料在外力作用下的破坏规律,进行了3个钢柱在外力作用下的防火涂料破损试验,研究H型钢柱上的厚型防火涂料分别在单向加载和往复加载作用下的破坏现象和破坏模式,并对试验结果进行分析.结果表明:防火涂料和界面剂之间以及界面剂和钢板之间的粘结性能差,钢柱受外力作用后粘结很容易破坏.单向加载的钢柱,在受拉翼缘上,初始裂缝间距逐渐加大并会产生新的横向裂缝,柱底部防火涂料脱落;在受压翼缘上,初始干缩裂缝逐渐闭合,柱底的防火涂料被压碎.往复加载的钢柱,粘结更容易破坏.外力作用下,钢柱上防火涂料容易破损,下端翼缘上破损严重,破损模式为大片剥离和脱落,破损程度和柱顶水平荷载有关,腹板上的防火涂料基本完好.     

树状形三分叉铸钢节点抗火性能的有限元研究

利用有限元方法对火灾作用下树状三分叉铸钢节点进行参数分析,包括荷载比、轴向约束刚度比、主、分管夹角、管径比以及分管间内、外倒角半径,研究各参数对节点抗火性能的影响。结果表明:在高温下树状三分叉铸钢节点的破坏模式主要为主、分管相贯区域鼓曲变形过大及分管与分管间相贯区域材性达到极限强度所致;荷载比越大,在同一温度下节点分管轴向受压变形越大,临界温度越小;轴向约束刚度比越小,节点临界温度越高,但延性越差;主、分管夹角的变化影响了节点在高温下的破坏形式,夹角较小时,节点的破坏形式为主、分管相贯区域变形过大,此时临界温度较高;夹角较大时,节点的破坏形式为分管间相贯区域材性达到极限强度,此时临界温度较低;分管间内、外倒角半径越大,节点临界温度越高。     

火灾下轴心受压H型截面约束钢柱整体稳定设计

利用验证的有限元模型分析了轴向约束刚度比、轴力荷载比和钢柱长细比对火灾下轴心受压H形截面约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响,给出了其屈曲温度和破坏温度的计算方法。轴向约束刚度比对约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响可用指数函数表示,轴力荷载比和钢柱长细比对约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响可用多项式表示。采用有限元方法对计算公式进行了验证,设计公式计算结果与有限元分析结果吻合较好,且设计公式给出偏于安全的结果。     

热屈曲问题的权余法解

本文对圆柱长杆在两端铰支、两端固定、一端固定另一端铰支以及一端固定另一端自由的四种不同约束条件下,因温度上升而在杆件中发生热屈曲现象时的临界温度T_k用新计算方法,即加权余力法进行分析计算,从而得出临界温度T_k的计算通式。这种方法的优点是计算简捷准确,它也是求解微分方程近似解的一种有效方法。     

柔性梁横向振动控制的轴向脉冲力法

应用一种新颖的变刚度振动控制原理,提出了采用施加轴向脉冲力,对柔性梁在瞬态振动下的横向振动进行主动控制的方法,并对一根两端铰支梁受瞬态扰动的振动响应控制进行了数值真计算和模型实验。     

考虑蠕变效应的钢柱高温承载力计算方法

高温蠕变对火灾下钢构件的内力和变形影响较大,现行《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249-2017）中未考虑蠕变对钢柱高温承载力的影响。采用ANSYS软件分析考虑蠕变后钢柱在高温下的受力性能,并与钢柱的抗火试验进行对比,发现考虑蠕变的钢柱有限元模拟结果与试验数据吻合更好。利用验证的有限元模型进行参数分析,结果表明：考虑蠕变效应后,钢柱的高温承载力受初始缺陷（残余应力、初弯曲、初偏心）、弯曲方向、荷载比、长细比、升温速率的影响较大,受截面形式和钢材屈服强度的影响较小。给出了考虑蠕变效应后计算钢柱高温承载力的简化方法。     

地震作用下缩尺钢框架结构防火涂料损伤试验及数值分析

为了研究地震作用下非膨胀型防火涂料的破损机理,进行了一缩尺钢框架模型的地震振动台试验,观测了地震作用下钢梁和钢柱上防火涂料破坏特征和脱落位置,获得了钢框架结构在地震作用下的层间位移角、梁端和柱端应变数据,分析了层间位移角、应变与防火涂料脱落的关系;基于ABAQUS通用有限元软件,采用弹塑性损伤本构模型,分析了防火涂料在地震作用下的损伤和脱落行为;在此基础上,对文献中钢柱构件和本文整体钢结构中梁、柱和节点等位置防火涂料脱落行为和机理进行数值分析,并与试验结果对比。结果表明：梁柱腹板位置总体未发生脱落,防火涂料脱落集中在梁柱节点区域,特别是临近节点区域及梁上翼缘位置;基于地震作用下结构中梁柱峰值应变,可知钢材屈服应变部位几乎与涂料脱落部位一致;数值分析表明钢材应变超过屈服应变或层间位移角超过l/150,涂料开始脱落;弹塑性损伤本构模型能合理地预测防火涂料脱落行为;数值分析时非膨胀型防火涂料脱落时等效塑性破坏应变可取值0.002。     

钢框架在高温（火灾）下塑性力学特征分析

由于在高温条件下钢材的屈服强度和弹性模量随温度升高均有所折减,使得钢结构建筑存在极大的安全隐患.为了研究钢框架结构在局部火灾下的塑性铰先后出铰顺序.首先通过理论计算,得出高温下钢构件的温度内力和温度弯矩,再根据力学理论分析塑性铰出铰顺序.最后利用有限元软件对高温环境中两层两跨平面钢框架整体结构进行模态分析,得到各节点应力变化情况和不同时刻塑性应变情况.结果 表明:理论计算得出塑性铰出铰先后顺序为,梁柱连接处、梁跨中节点处、柱脚.数值模拟出的塑性铰出铰顺序和位置与理论分析结果一致,可为相似工程提供参考.     

轴力作用下基于子结构模型的约束PEC柱耐火极限研究

利用有限元软件ABAQUS,建立了包含部分梁、柱的约束PEC柱子结构温度场和力学分析模型,应用约束PEC柱的抗火试验数据验证了模型的合理性。采用上述模型分析了轴力比、轴向约束刚度、约束梁跨度、柱长度以及梁上荷载大小对轴力作用下约束PEC柱耐火极限的影响规律,并建立了该类构件的耐火极限简化计算公式。结果表明,轴力比和柱长度对轴力作用下约束PEC柱的耐火极限有较大影响,而轴向约束刚度、约束梁跨度及梁上荷载的影响很小;轴力比是影响柱耐火极限的重要参数,耐火极限随荷载比的增大迅速降低。给出的耐火极限计算公式可供约束PEC柱耐火设计参考。     

柔性连接钢梁火灾行为的试验研究

对4根柔性连接H型钢梁进行了火灾行为的试验研究．试验采用足尺试验形式，试验中考虑了跨度、荷载大小两个主要因素．钢梁跨度分别为4200mm和3600mm．荷载比率分别为0．31和0．52．通过试验，得出了钢梁的温度场分布和变形情况．试验结果表明：H型钢梁在火灾作用下发生了弯扭屈曲现象；轴向约束对H型钢梁的火灾行为有一定影响；钢梁进入大变形阶段后，轴向约束压力变为轴向约束拉力，轴向拉力有阻止钢梁自身进一步变形的作用，即发生了悬链线作用．     

端部约束钢管混凝土柱耐火性能及抗火设计方法

为了给钢管混凝土柱的抗火设计提供有效方法,利用梁单元建立了端部约束钢管混凝土柱耐火性能分析的有限元计算模型。利用上述模型,考虑转动约束、轴向约束以及偏心距的影响,对火灾下端部约束钢管混凝土柱的计算长度系数和稳定系数等进行了系统的参数研究。最后,提出了端部约束钢管混凝土柱的抗火计算方法。     

考虑爆裂影响的轴向约束高强混凝土柱耐火性能研究

应用有限元软件ABAQUS,基于一次爆裂模式,建立了轴向约束高强混凝土（HSC）柱的抗火分析模型.采用试验数据验证了模型的合理性.采用验证后的模型,分析了不同轴向约束刚度比下高强混凝土柱轴力及位移变化的规律,重点考虑了爆裂深度、爆裂长度、爆裂开始时间等爆裂参数对高强混凝土柱轴向位移、截面温度场和耐火极限的影响规律.研究表明：相同爆裂时间前提下,HSC柱轴向位移随爆裂深度、爆裂长度的增大而增大,耐火极限随之减小.爆裂深度、爆裂长度相同前提下,爆裂开始时间对HSC柱的耐火性能影响很小.当荷载比不变时,轴向约束刚度比对HSC柱膨胀阶段的最大轴向位移影响甚小,但是在越过初始平衡位置的收缩阶段对轴向位移影响很大.轴向约束刚度比对轴向约束HSC柱的耐火极限影响不大.     

Stability of axially restrained steel columns under temperature action

The in-plane elastic buckling of a steel column under thermal loading is investigated. The column is pinned at its ends, with two linear elastic springs that model the restraint provided by adjacent members in a structural assemblage or an elastic foundation. Across a section, the temperature is assumed to be linearly distributed. Based on a nonlinear strain-displacement relationship, the energy method is used to obtain the equilibrium and buckling equations. Then the buckling of columns with three different thermal loading cases is studied. The results show that the analytical formulas can be used to evaluate the critical temperature for elastic buckling. The thermal gradient plays a positive role in improving the stability of columns. Comparing these predictions with uniform temperature distribution over cross section, it can be shown that the buckling load is seriously underestimated. It can also be found that axial restraints can significantly affect the column elastic buckling loads. The critical temperature decreases with an increase of restraint stiffness. Furthermore, the effect of axial stiffness increases when increasing the thermal gradients and decreasing the slenderness ratio of columns.     

弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响

在实际火灾中,结构中的柱子可能受到轴力和不同分布模式弯矩的共同作用。弯矩分布模式的不同将导致柱的抗火性能产生一定差异。考虑结构中柱的实际受力状态,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束PEC柱有限元模型,分析了不同轴向约束刚度比、荷载比和偏心率等参数情况下弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明,荷载比和偏心率较小时,不同的弯矩分布模式对PEC柱的变形特征和轴力变化系数影响不大;随着荷载比和偏心率的增大,对弯矩分布模式的影响变大。在其他参数相同的情况下,均匀弯矩分布模式下柱的耐火极限最短;三角形弯矩分布模式和异号弯矩分布模式下PEC柱耐火极限差别不大。     

离心钢管混凝土短柱火灾下与火灾后的极限承载力

针对离心钢管混凝土结构抗火设计、火灾中受损评价以及修复等有关问题，通过对钢材与混凝土高温下与高温后的应力应变关系的分析，建立了离心钢管混凝土短柱四面均匀受火及其火灾后的有限元分析计算模型，进行了火灾下与火灾后荷载 变形关系曲线全过程分析，结合离心钢管混凝土结构的常温极限承载力表达式，提出了ISO-384标准升温曲线作用下和作用火灾后轴压构件的极限承载力简化计算公式.研究表明，短柱在火灾下与火灾后的极限承载力随升温时间的增加而剧减，承载力与温度场的分布基本上成线性关系.