高温下张弦梁结构力学特征解析解EI北大核心CSCD

在实腹钢梁或钢桁架下部张拉预应力高强钢索形成预应力张弦梁结构,然而钢索的预应力对温度变化敏感,因此火灾是危及张弦梁结构安全性的重要灾害,求解高温下结构的力学特征解析解是进一步研究其火灾安全性能的理论基础。考虑高温下钢材材性的衰减、非线性热应变以及几何形变的耦合,建立张弦梁结构高温下梁单元与索单元建立基本平衡微分方程,分别推导出在均布荷载作用下张弦梁结构在均匀温度场及非均匀温度场中,结构跨中挠度、预应力索水平张力和撑杆轴力的解析解;并且基于张弦梁结构力学特征解析解,对比分析了张弦梁结构热力耦合数值分析模型的可靠性,可为后继设计张弦梁受火试验方案及研究其受火破坏机理提供参考。     

张弦梁结构若干问题的探讨

张弦梁(桁架)结构已在我国大型工程中有所应用,但对该种结构的设计和施工过程的理论研究并不完善.对张弦梁结构设计和施工过程中的若干问题进行了较为深入的理论研究,包括该结构各个单元的预应力分布、施工过程的模拟分析等.首先,将平衡矩阵理论推广应用于包含索杆梁三种单元的杂交空间结构,给出了二节点梁单元和杆单元单元平衡矩阵的一般表达式,并对一小型张弦梁结构的整体平衡矩阵进行了分析,求得其独立自应力模态数为一.其次,提出了基于将索、杆单元和梁单元分开的结构分块的分析方法--局部分析法.该方法不仅可以用来求解张弦梁结构的初始预应力分布,同时也可以用于确定体系的零状态几何形状.因而求解张弦梁结构初始预应力分布就有了两种方法.最后,算例分析验证了方法的正确性.     

钢索在火灾升温历程中瞬态张力的解析计算方法

该文根据常温下单索的基本平衡微分方程,建立了钢索在高温材性非线性衰减、非线性热应变以及几何形变耦合状态下的微分方程组;分别求解出受均布荷载和集中荷载作用的钢索,在均匀和非均匀温度场中其水平张力的非线性瞬时计算式,并提出了判断钢索高温极限承载力的力学计算方法;同时用解析计算方法验证了基于非线性有限元方法建立的单索热力耦合计算模型的精确性,为进一步研究索网结构的整体抗火性能奠定了理论 基础。     

基于空腔辐射效应的钢索截面温度场分析

该文基于传热学基本理论及ABAQUS数值传热分析平台,以圆柱壁的截面径向导热热阻和空腔热阻代替平壁导热热阻,分别建立了四面受火工况下具有空腔几何特征的钢索截面升温理论及数值传热模型,得到考虑空腔辐射传热效应的无防火保护钢索截面升温历程,将其与具有等效截面圆钢的升温历程比较,研究表明：截面尺寸和空腔辐射效应对钢索截面升温历程有显著影响,空腔辐射效应在火灾升温初期加快了钢索截面的升温速率;最终在钢索热传导理论分析及数值模拟基础上,建议了钢索截面升温计算式,从而准确确定火灾升温历程中钢索材料性能衰减程度,正确评估预应力张拉结构中钢索的抗火承载力。     

自适应张弦梁结构的内力控制理论研究

自适应张弦梁结构是可根据外部荷载变化调节结构中的预应力, 实现对结构工作状态控制的智能结构. 该文首先分析自适应张弦梁结构的工作机理;然后建立结构的内力状态方程;接着对在风吸作用下下弦拉索退出工作的内力控制问题进行分析, 并建立相应的控制模型;再对在移动荷载作用下上弦梁受力不均匀的内力控制问题进行分析, 根据移动荷载的大小和移动速度, 将荷载空间划分为无时滞可控区域和有时滞控制区域, 并以结构最合理内力分布状态为目标分别建立各可控区域内力控制模型;最后通过数值算例验证该类结构的工作性能. 数值结果表明, 相对于普通张弦梁结构, 自适应张弦梁结构通过自适应控制能够降低结构的内力峰值和初始预应力水平要求, 并提高结构的承载力.     

火灾环境下钢-混凝土组合梁力学性能试验研究

该文为研究组合梁桥在火灾环境下的基本力学性能与特征,制作具有代表性的3根缩尺梁模型：简支T形梁、简支箱形梁及连续箱形梁,利用火灾试验炉进行局部三面受火试验,并给出详细的试验方法。在试验过程中,分别观察组合梁常温下及火灾高温后的结构行为,量测火灾高温下组合梁的温度场,分析了结构的变形特点。通过对试验数据的深入分析与研究,可以发现火灾下钢-混凝土组合梁中钢梁为主要升温构件,且升温速度快,温度分布不均匀;混凝土顶板具有一定的吸热作用,但不应忽略其对钢梁升温及温度分布的影响;从实测变形看,钢-混凝土组合连续梁体系的抗火性能要优于简支梁体系。研究成果可以为组合梁桥防火灾设计与分析提供试验依据与理论参考。     

弦-梁耦合系统的动力学行为分析

本文研究了弦-梁耦合系统在初始平衡解处的稳定性与分岔情况,给出了特征值随阻尼参数的变化情况,并利用稳定性分析和特征值分析等解析方法,得到了初始平衡解、周期解和拟周期解的稳定边界以及导致Hopf分岔和2维胎面等分岔解的临界分岔曲线。最后,利用数值模拟方法研究了弦-梁耦合系统的稳定性与分岔情况。     

火灾环境下钢结构响应行为的FDS-ABAQUS热力耦合方法研究

火灾环境下钢结构热力耦合分析普遍采用ISO834标准升温曲线（或火灾升温经验公式）描述结构的升温过程,然而这种方法并不能准确描述真实火灾环境下结构的升温过程。为了分析钢结构在真实火灾温度场下的热响应行为,该文以整体结构作为研究对象,提出了基于FDS和ABAQUS的火-热-结构耦合分析方法。该方法通过创建FDS-ABAQUS耦合接口,将FDS模拟得到的火灾动态温度场数据传输到有限元软件ABAQUS中,使用ABAQUS对整体结构进行热力耦合计算,得到整体结构在特定火灾场景下的力学响应特性。案例分析表明,该文创建的耦合方法可将FDS模拟得到的温度场数据传输到ABAQUS模型,分析结果显示传输温度场数据最大误差为2.18%;模拟整体结构热响应行为时考虑不均匀热膨胀引起的内力,模拟结果更接近真实火灾场景下的力学响应。     

杂交空间结构形状确定问题的探讨

张弦梁结构、弦支穹顶结构为两类典型的杂交空间结构,适用于大跨度的屋盖结构如航站楼、会展中心、体育场馆等。该文提出了上部结构为自由曲面网格结构的张弦体系或弦支体系等一般大跨度杂交空间结构的形状确定问题,并在以往解析分析的基础上提出了数值分析的算法和计算例题。在此基础上编制了相应程序,结合实际工程给出了计算分析例题。该文的工作可供工程设计人员和有关学者参考。     

张弦梁结构施工技术

通过本工程张弦梁结构的施工,掌握了大跨馊钢结构张弦梁吊装、定位、焊接、张拉、予应力、变形控制的有关施工技术,积累了一套钢拉杆张拉施工的系列化数据,为以后类似工程的施工积累了一定的经验。     

整体结构中两跨钢梁火灾变形性能的试验研究

为研究整体结构中钢梁的抗火性能,利用自行研制的试验炉和相关测试装置,对三层三跨足尺钢框架楼中三层顶一两跨连续梁进行受火试验研究,试验中钢梁受火,钢柱和节点不受火。试验量测了炉体内烟气温度、钢梁和混凝土楼板四等分点处截面沿厚度不同点的温度场、位于炉体外钢梁接点温度、钢梁和楼板四等分点处的竖向变形。结果表明:未进行防火保护的钢梁温度与烟气温度基本一致;升温阶段混凝土板温度滞后于钢梁的温度,停止升温后钢梁温度迅速降低,混凝土板温度仍会升高直至两者温度趋于一致。在整个试验过程中,沿混凝土板截面高度存在较大温度梯度;整体结构中未进行防火保护的钢梁具有很好的变形性能,可以考虑减少防火保护;不同位置的构件由于受到相临构件的约束程度不同,在火灾中的变形性能不同,在抗火设计时应进行区别对待;钢柱虽不受火,在整个试验过程中产生轴向膨胀。     

索形优化后的双向张弦梁索力静载试验设计与研究

基于平衡荷载值确定双向张弦实腹梁结构的形状,设计了一个索形优化后的双向张弦梁整体结构索力静载试验。用万向节模拟撑杆与上弦钢梁节点,用特制花篮螺丝和改装的U型绳卡模拟拉索张拉端和锚固端,采用多点分配梁杠杆集中加载与跨中直接吊挂加载相结合的加载方案。试验结果显示,经过索网形状优化之后,竖向荷载增大到设计平衡荷载值时,双向各索索力值相近,分布均匀,明显改善受荷阶段结构中的索力分布。双向张弦梁下弦索对非对称活载尤其是二分之一跨分布形式较为敏感,可能出现边跨索力超过同级全跨荷载下的现象。     

高温下钢筋混凝土异形柱的数值分析方法

将钢筋混凝土异形柱沿高度划分为若干小段,假定每一小段内各截面的曲率线性变化,结合虚梁法和结构截面在力和温度作用下的非线性增量有限元分析方法,提出了钢筋混凝土异形柱高温下基于虚梁法的数值分析方法,同时建议了高温下每一增量步内混凝土和钢筋应力-应力应变点位置的确定方法。编制了相应的程序RCSSCF,程序考虑了轴力的二阶效应,程序的有效性得到试验结果的验证。研究表明:基于虚梁法的数值分析方法计算的耐火极限总体上略小于基于变形假定的数值分析方法计算的耐火极限。     

足尺钢框架结构中楼板火灾行为数值分析

为研究受火跨位置和数量对结构中混凝土楼板火灾行为影响,基于Vulcan软件,采用厚板单元和梁柱杆单元,结合EC2材料高温本构模型,对钢框架结构中受火顶层楼板(角区格和中区格)和第二层楼板(四区格)的温度和变形进行数值模拟,分析了混凝土膨胀应变对火灾下结构中楼板受火区格变形的影响规律,考察了受火板格薄膜机理、裂缝分布和钢梁内力发展规律。结果表明:楼板温度和变形计算结果与试验结果总体吻合较好,且混凝土膨胀应变对结构中受火区格跨中变形有决定性影响,即膨胀应变取值较大时,计算变形较大;边界条件对受火板格薄膜机理和裂缝分布有决定性影响,且受火板格可分为环型、对边U型和对角U型三种薄膜机理;受火板格附近钢梁弯矩和轴力逐渐增加,且钢梁轴力增加幅度相对较大。     

某超高层混凝土结构火灾作用下的力学响应分析

火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为,其主要特点是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化,进而引起结构体系内的内力重分布。目前,针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展,而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型,对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应,比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最后,采用Pushdown方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。     

张弦梁挑蓬结构的试验研究

将张弦梁原理运用到悬臂结构,进而构造出一种环状悬臂张弦梁挑蓬结构．继理论分析之后,为了验证这种结构的受力性能,通过静力试验重点分析模型在全跨和半跨荷载下的承载规律,之后从模态试验分析中,进一步了解结构的刚度和动力特性．试验结果表明：(1)结构受力合理,抵抗非对称荷载能力较强,有很好的整体稳定性;(2)与柔性悬索结构相比,结构第1阶自振频率较高,有较好的刚度;(3)设计时给定了拉索的位置,该种结构的施工相对于索穹顶、环状索一桁张力挑蓬要容易．     

火灾下平行钢丝束温度膨胀及高温蠕变试验研究

为研究开放空间拉索的火灾响应,该文考虑火源的空间辐射理论和拉索表面的环境换热边界,结合内部空腔辐射、接触传导、间隙导热三大基本传热理论,建立开放火灾下拉索腔体传热计算方法,并通过试验结果验证数值分析模型的准确性,分析预应力拉索在不同的内部传热方式、不同的包裹环境和不同的风环境下截面的温度场和应力场的时空分布特征,以及截面的轴力和弯矩的内力时变特征。结果表明：进行拉索的火灾响应分析时,考虑拉索的完整腔体传热模型可以比较准确地计算开放火灾下拉索截面的瞬态温度分布,随着曝火时间的增加,拉索截面的温度场和应力场分布呈现反对称状态且从二次分布特征向线性分布特征逼近,拉索截面会出现轴力损失和弯矩效应。相比于完整腔体传热模型,圆钢传热模型的截面应力分布均匀、轴力损失偏大且弯矩效应很小,空腔辐射模型的截面应力分布过于集中、弯矩效应偏大且轴力损失偏小。烟气包裹环境会加剧拉索截面的轴力损失和削弱拉索截面的弯矩效应。迎风环境会严重加剧拉索截面的轴力损失和弯矩效应。该文的研究成果可为索结构的抗火设计与防护提供理论依据。

     

Dynamical behavior of a wooden beam under mechanical loading and fire

Modern construction relies more and more on wooden structures. To minimize the costly consequences of fire, wooden beams are required to exhibit acceptable fire resistance. A combined analytical and numerical model for predicting the fire resistance of a wooden beam is presented. The model is a structural response model that takes into account the variation of the beam physical and mechanical parameters in terms of the ISO 834 temperature variation in time, to establish a partial differential equation with variable coefficients. The analysis has lead to the prediction of time to the structural failure that is necessary for safety consideration.