火灾下约束钢柱受力性能实用分析方法(Ⅰ)——轴力作用下的约束钢柱

给出了确定轴压约束钢柱在火灾升温条件下屈曲温度和破坏温度的简化计算方法,采用有限元方法、相关研究者的研究成果和试验结果对计算方法进行了验证。约束钢柱屈曲前,随着温度升高,轴力线性增加,截面弯矩很小并保持不变,采用无约束钢柱屈曲温度计算公式确定其屈曲温度,钢柱轴力考虑轴向约束的影响;约束钢柱屈曲后处于轴力和弯矩的共同作用下,利用截面屈服条件表示的轴力-弯矩相关关系确定其破坏温度,钢柱轴力取升温前初始轴力。本文方法计算结果与有限元分析结果和其他研究人员的研究成果吻合较好,与试验结果的比较表明本文方法偏于安全。     

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。     

截面温度不均匀受约束钢柱抗火性能试验研究与有限元分析

截面温度不均匀钢柱火灾下将发生热弯曲及扭转屈曲破坏,同时对热变形的约束导致钢柱内在升温阶段产生附加压力,在降温阶段出现附加拉力。分别考虑3种约束刚度比和3种截面温度分布形式,进行了9根受约束钢柱的抗火试验,量测了受约束钢柱达到最大轴力时的温度（屈曲温度）、轴力恢复至初始荷载对应的温度（临界温度）及破坏温度,研究其在火灾升温和降温阶段的受力性能、破坏特征。试验结果表明,截面温度不均匀导致钢柱在绕截面对称轴弯曲时同时发生扭转;约束刚度比越大,钢柱的屈曲温度越低,破坏温度与屈曲温度之差越大;截面温差越大,钢柱屈曲温度和破坏温度越高。同时对试验钢柱进行了有限元分析,分析结果与试验结果基本一致,验证了所建立的有限元分析模型的正确性。     

约束钢柱抗火性能试验研究

介绍了一组约束钢柱抗火试验,包括试验设计、钢柱温度和位移测量结果、钢柱试验后残余变形,以及试验的数值模拟等。试验变化参数为钢柱所受约束的刚度。约束刚度大小对钢柱抗火性能的影响包括:约束刚度比大的钢柱,其屈曲温度和破坏温度均较低;钢柱屈曲后,约束刚度比大的钢柱在变形较小时即可达到新的平衡位置;约束钢柱的破坏温度一般高于其屈曲温度,且随轴向约束刚度比的增大,破坏温度与屈曲温度之差增大。试验结果与有限元分析结果进行了对比,两者吻合较好,有限元方法研究约束钢柱抗火性能具有较高的精度。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力影响参数研究

利用经试验验证的ABAQUS有限元模型,对轴心压力作用下的轴向约束高强钢柱受火后的剩余承载性能进行了参数分析,考虑了过火温度、荷载比、轴向约束刚度比、长细比以及高强钢材强度等级等参数的影响。参数分析结果表明：当过火温度小于屈曲临界温度时,受火过程对轴向约束钢柱的轴压承载力没有影响;当过火温度大于屈曲临界温度时,钢柱的轴压剩余承载力会明显减小,且随着过火温度的升高,剩余承载力逐渐降低;轴向约束刚度比和长细比对约束钢柱的过火温度为屈曲临界温度时对应的轴压剩余承载力影响显著;荷载比对约束钢柱的过火温度为破坏临界温度时对应的轴压剩余承载力影响明显;高强钢材强度等级对约束钢柱受火后轴压承载力影响较小。根据参数分析所得数据及规律,提出了超500MPa高强钢轴向约束柱受火后轴压剩余承载力的简化计算方法,将计算结果与有限元分析结果对比,验证了该简化计算方法的可靠性。     

火灾中约束钢柱的性能与设计(3):实用设计方法

通过大量的数值分析,研究了求解轴力或轴力与弯矩共同作用下,约束钢柱屈曲温度和破坏温度的实用设计方法。设计中,考虑附加轴向压力并限制热伸长,采用火灾中自由柱的设计方程计算约束柱的屈曲温度。计算约束柱的破坏温度时,引入了轴向屈服力与塑性弯矩的相关曲线。将不同情况下该方法的分析结果与ABAQUS软件的模拟结果进行对比,可知二者吻合较好。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力影响参数研究

利用经试验验证的ABAQUS有限元模型,对轴心压力作用下的轴向约束高强钢柱受火后的剩余承载性能进行了参数分析,考虑了过火温度、荷载比、轴向约束刚度比、长细比以及高强钢材强度等级等参数的影响。参数分析结果表明:当过火温度小于屈曲临界温度时,受火过程对轴向约束钢柱的轴压承载力没有影响;当过火温度大于屈曲临界温度时,钢柱的轴压剩余承载力会明显减小,且随着过火温度的升高,剩余承载力逐渐降低;轴向约束刚度比和长细比对约束钢柱的过火温度为屈曲临界温度时对应的轴压剩余承载力影响显著;荷载比对约束钢柱的过火温度为破坏临界温度时对应的轴压剩余承载力影响明显;高强钢材强度等级对约束钢柱受火后轴压承载力影响较小。根据参数分析所得数据及规律,提出了超500 MPa高强钢轴向约束柱受火后轴压剩余承载力的简化计算方法,将计算结果与有限元分析结果对比,验证了该简化计算方法的可靠性。     

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。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力试验研究

设计了3根截面尺寸、长度均相同的Q550高强度钢柱,其中两根受到轴向约束,并对其进行了恒载作用下升温、降温的受火全过程试验,以及自然降温至室温后的轴压剩余承载力试验,对未受火的钢柱进行了常温下的极限承载力试验。研究了高温试验中钢柱的轴向位移-温度和中点侧向挠度-温度关系、极限承载力试验中钢柱的轴力-轴向位移和轴力-柱中点侧向挠度关系,并进行了有限元模拟。试验以及有限元模拟分析显示,若约束钢柱在高温过程中发生屈曲,则降温后钢柱会有明显的残余弯曲变形,并且柱中截面会产生比初始残余应力更为显著的残余应力,从而显著降低钢柱的剩余承载力和轴向刚度。试验结果与有限元分析结果吻合较好,验证了有限元分析模型的有效性。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力试验研究

设计了3根截面尺寸、长度均相同的Q550高强度钢柱,其中两根受到轴向约束,并对其进行了恒载作用下升温、降温的受火全过程试验,以及自然降温至室温后的轴压剩余承载力试验,对未受火的钢柱进行了常温下的极限承载力试验。研究了高温试验中钢柱的轴向位移-温度和中点侧向挠度-温度关系、极限承载力试验中钢柱的轴力-轴向位移和轴力-柱中点侧向挠度关系,并进行了有限元模拟。试验以及有限元模拟分析显示,若约束钢柱在高温过程中发生屈曲,则降温后钢柱会有明显的残余弯曲变形,并且柱中截面会产生比初始残余应力更为显著的残余应力,从而显著降低钢柱的剩余承载力和轴向刚度。试验结果与有限元分析结果吻合较好,验证了有限元分析模型的有效性。     

火灾下箱形钢柱组合门式框架性能分析

利用ANSYS有限元对梁柱三面受火无侧移单层单跨箱形钢柱组合框架受火后的性能进行数值模拟分析,得出了组合梁和钢柱温度场变化规律及框架受火后的变形和内力情况。分析表明:梁、柱沿截面高度、宽度方向均存在变化的温度场,温度梯度随受火时间的增加先逐渐增大后逐渐减小,且升温速度越快其最大值出现越早;三面受火的单层单跨箱形钢柱组合框架典型破坏模式为钢柱平面内对称屈曲破坏,破坏位置位于节点下部1.0~1.2倍钢梁高处;约束轴力是影响组合梁弯矩变化的关键因素。     

十形闭口截面轴压钢柱稳定性分析

根据乌曼斯基薄壁杆件理论推导出十形闭口截面钢柱压弯状态下的临界屈曲方程,利用ANSYS有限元软件分析其在轴压下的曲荷载特征值,并研究材料非线性、几何非线性和残余应力单独以及共同对该类截面钢柱整体稳定性的影响。最后得到十形闭口截面钢柱的稳定系数,确定其失稳截面类型。     

火灾下蠕变对轴向约束钢柱屈曲的影响

目前,大多采用考虑蠕变的Harmathy蠕变模型进行耐火性分析。Harmathy蠕变模型仅能预测恒定应力下一定精度的蠕变,不适用于应力变化的情况。轴向约束钢柱遇到火灾时,火灾过程中应力将随着时间和温度的变化而迅速变化。该文研究了火灾下蠕变对轴向受压钢柱屈曲性能的影响。使用ANSYS软件中能够预测任何时间、应力或温度下钢材蠕变应力的蠕变模型来预测蠕变应力。分别对考虑和不考虑蠕变的情况进行数值模拟,并对两种情况下的屈曲温度和轴向变形结果进行对比分析。快火和慢火工况都考虑在内。研究结果显示,慢火工况下考虑蠕变的轴向约束钢柱屈曲温度高于不考虑蠕变的屈曲温度,快火工况下考虑蠕变的轴向约束钢柱屈曲温度可能高于也可能低于不考虑蠕变的屈曲温度。     

横向撞击荷载作用下压弯H型钢柱的破坏模式和动态响应

钢结构受碰撞冲击的过程是一个复杂的非线性过程。采用Abaqus/Standard模拟H型钢压弯柱的平衡状态,再以此为初始状态在Abaqus/Explicit模块中执行横向撞击的数值模拟,通过考察系统能量转化关系和沙漏能占比验证有限元模型的合理性,研究了压弯柱受横向撞击的破坏模式并进行了动态响应的参数分析。结果表明:压弯H型钢柱受横向撞击的破坏是翼缘局部失稳引起的整体失稳破坏,是否破坏主要取决于撞击动能;撞击动能、撞击质量、撞击速度、撞击位置距固端约束的距离和轴压力的增加都会加剧H型钢柱的动态响应;存在减弱压弯柱动态响应的轴压力-弯矩荷载组合,但随着叠加弯矩值的增大,柱的变形开始加剧直至失稳破坏。     

高强Q690钢柱高温下轴心受压局部稳定设计方法（英文）

局部屈曲是钢结构构件的一种破坏模式,钢结构发生局部屈曲破坏时,屈曲应力小于钢材的屈服强度。为了研究高温下高强Q690钢柱的局部稳定性能,采用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,模型采用其他学者完成的Q460钢柱轴心受压局部屈曲试验进行验证,考虑宽厚比、温度、初始缺陷、残余应力和翼缘与腹板之间相互作用的影响,对高强Q690钢柱进行参数分析。研究结果表明:宽厚比对局部屈曲有显著影响,宽厚比的增大导致试件极限承载力的降低;初始缺陷和残余应力对局部屈曲应力有较大影响,且试件的极限承载力随着温度的升高而明显下降。基于有限元分析结果提出了适用于高强Q690钢柱高温下的局部稳定设计方法和宽厚比限值,并与GB50017-2017、Eurocode 3和ANSI/AISC 360-10中的设计方法进行了比较。     

中心方核十字异形钢柱稳定性研究

本文提出一种中心方核十字异形钢柱截面,采用有限元方法开展异形钢柱的特征值屈曲分析,获得钢柱的临界力。研究了不同截面参数对异形柱稳定性的影响,绘制了异形柱临界应力与展臂宽度以及展臂板、翼缘板、核心壁的宽厚比等多种关系曲线,确定最佳截面尺寸比例关系,结果表明,方核十字形钢柱临界应力高于相同截面积的工字形、十字形钢柱临界应力,为在实际工程中采用该类柱的结构设计提供参考。     

考虑墙板约束影响的轴心受压钢柱抗火设计方法

本文通过有限元分析,研究了带墙板钢柱在墙板约束作用下的抗火承载力,也考察了钢柱截面温度不均匀分布对钢柱抗火承载力的影响。通过大量的有限元计算和参数分析,推导出了计算带墙板钢柱抗火承载力的简化设计方法。     

温度沿截面分布形式对钢柱受火性能影响分析

利用有限元方法分析了温度沿截面不均匀分布钢柱在火灾下的受力性能,对长细比或荷载比较小的钢柱,温度沿截面不均匀分布钢柱临界温度将高于温度沿截面均匀分布钢柱的临界温度;而对长细比和荷载比大的钢柱,温度沿截面不均匀分布钢柱的临界温度较低,忽略温度分布的影响,将导致不安全的后果。     

墙板对火灾下钢柱截面温度分布的影响

在钢结构的抗火设计中，必须了解钢构件截面温度随时间的变化。本对一侧带有墙板的钢柱在火灾下的升温和截面温度分布进行了有限元分析研究，通过数据拟合并对比现有计算方法，得到了带墙板钢柱截面平均温度和温度分布的简化方法，为进一步进行这种条件下钢柱的抗火设计提供了基础。     

约束H型钢柱火灾响应及火灾后力学性能试验研究

通过对端部约束H型钢柱火灾响应及火灾后力学性能的对比试验研究,分析了不同约束条件对H型钢柱火灾行为及受火后力学性能的影响。试验测定了钢柱的温度响应及位移响应,在此基础上进一步开展了火灾后的力学性能试验。结果表明：钢柱在升温和降温过程中存在一定的滞后性,火灾升温时柱顶位移按自由膨胀、对称约束及不对称约束依次减小;约束性质对火灾后H型钢柱的力学性能有明显的影响,对称约束的H型钢柱在火灾后的应变明显不同于非对称约束的情况,而且非对称约束钢柱压曲破坏前的整体刚度明显高于对称约束;无约束H型钢柱受火后的整体屈曲主要沿弱轴方向弯曲,而约束H型钢柱受火后的整体受压屈曲则沿两个方向均有明显的侧向弯曲,且沿弱轴方向的受压曲线基本呈三角形,绕强轴方向则为S形。