高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能，使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系，基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型，考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响，模拟得到了钢柱的受火响应，其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明，无防护的Q690钢柱在受火20min左右发生破坏，破坏模式为整体失稳破坏；荷载比对临界温度影响较大，长细比和升温速率影响较小；Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN 1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

高强度Q690钢柱受火后受力性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱受火后的受力性能,采用电炉将2根高强度Q690钢焊接H形截面柱升温至800℃后自然冷却至常温,对受火后钢柱进行受压试验,得到钢柱的承载力和破坏模式。为考察受火对钢柱承载力的影响,对2根同尺寸不受火钢柱也进行受压试验。使用ABAQUS软件建立了试验钢柱有限元模型,考虑钢材受火后力学性能的退化和截面残余应力的影响,模拟试验构件的结构响应,并与试验结果进行对比。研究表明:钢柱均发生了绕弱轴的整体失稳破坏;经800℃受火作用后的钢柱承载力与不受火相比降低30%左右;有限元分析结果与试验结果吻合良好。进而采用有限元模型分析受火温度、冷却方式、长细比等参数对受火后Q690钢柱整体稳定系数的影响,有限元分析发现:受火后Q690钢柱稳定系数随受火温度升高呈先增大后减小的趋势,转折点为800℃左右;受火温度较低时冷却方式对Q690钢柱稳定系数影响较小,受火温度高于800℃后影响显著;受火后Q690钢柱稳定系数随长细比增大而降低,长细比小于80时,降低幅度较大,长细比超过80时,降低幅度减小。     

Q345钢高温蠕变试验及考虑蠕变后钢柱抗火性能研究

采用蠕变试验机对低合金Q345钢进行高温蠕变试验,得到高温下的蠕变曲线。基于试验数据和现有蠕变模型,拟合得到Q345钢复合时间强化蠕变模型和Norton蠕变模型。利用蠕变模型对Q345钢柱的抗火性能进行分析,得到高温下Q345轴压钢柱承载力与受火时间关系曲线以及ISO 834标准升温条件下钢柱的荷载比和临界温度的关系。研究表明:Q345钢在700~800℃断裂前蠕变变形达到最大值;考虑蠕变后钢柱受火初期的承载力随受火时间的延长急剧降低,随后趋于稳定;ISO 834标准升温条件下,荷载比在0.2~0.8内考虑蠕变后钢柱的失效临界温度降低60℃左右。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

Study on fire behavior of cold-formed steel quadruple-limbbuilt-up box-section column

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。     

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。     

受压加肋焊接空心球节点抗火试验研究

为研究火灾下受压加肋焊接空心球节点的性能,对2个足尺节点进行受火试验。通过试验得到了加肋焊接空心球节点在标准火灾下的节点表面温度场、不同荷载下节点的耐火时间、破坏形式以及位移特征。根据欧洲规范,建立了三维加肋焊接空心球节点的有限元模型,分析了火灾下节点温度发展规律及位移特征。有限元分析结果与试验结果的对比验证了有限元分析的正确性。研究结果表明：升温过程中,加肋焊接空心球节点中远离加劲肋处的球壳温度最高,靠近加劲肋以及钢管连接处的球壳温度较低;火灾下受压加肋焊接空心球节点的破坏具有突然性,破坏发生在钢管与球节点的连接处;荷载比大的球节点耐火时间短。     

考虑蠕变和残余应力释放的Q460钢柱抗火设计方法

承受荷载的钢结构在火灾下可发生明显的蠕变变形,钢结构中的焊接残余应力在火灾下也会一定程度地释放,因而高温蠕变变形和残余应力会对钢柱的耐火性能产生影响.为了准确地对高强度Q460钢柱进行抗火设计,有必要定量分析高温蠕变和残余应力释放对钢柱承载力的影响.采用电炉对2根焊接H形Q460钢柱进行耐火试验,得到无保护Q460钢柱...     

考虑约束效应的Q460钢梁耐火性能研究

为获得Q460钢梁在约束效应和火灾耦合作用下的耐火性能,考虑荷载比和轴向约束刚度对钢梁耐火性能的影响,完成了3个约束Q460钢梁瞬态试验,得到了钢梁侧向位移、挠度和轴力与Q460钢梁温度的关系曲线。对约束Q460钢梁开展有限元分析,得到了荷载比、轴向约束刚度、转动约束刚度和截面高宽比对钢梁临界温度的影响规律。研究结果表明：约束Q460钢梁在横向荷载和附加轴力联合作用下,一般发生弯扭屈曲破坏;悬链线效应温度与临界温度相差不大;荷载比和转动约束刚度对约束Q460钢梁的临界温度影响显著;临界温度随转动约束刚度的增加而增加,转动约束刚度从无转动约束增大到5EI/L时,钢梁临界温度升高约34%,临界温度随荷载比的增加而降低,荷载比从0.4增大到0.9时,钢梁临界温度下降约26.5%;轴向约束刚度和截面高宽比对临界温度的影响程度较小,临界温度随轴向约束刚度的增大而降低,随截面高宽比的增大而升高。     

耐火钢柱的抗火性能参数分析与抗火临界温度估计

本文利用ANSYS有限元分析软件所建立的火灾升温条件下耐火钢柱的非线性有限元分析模型，进行了大量的参数分析，研究各种参数的变化对耐火钢柱抗火临界温度的影响，进而提出耐火钢柱抗火临界温度的简便估计方法。最后通过算例介绍了本文方法的使用。并验证了方法的可靠性。     

国产高强度Q960钢高温蠕变及其对钢柱抗火性能影响

为获得国产高强度Q960钢高温下蠕变应变,对Q960钢进行高温拉伸蠕变试验,得到不同温度和应力水平下的蠕变应变-时间曲线,基于试验数据,提出适用于Q960钢结构抗火分析的蠕变模型.采用有限元模型分析蠕变效应对Q960钢柱抗火性能的影响,得到标准升温条件下无防火保护Q960钢柱的临界温度,并与《建筑钢结构防火技术规范》(...     

低周反复荷载作用下高强钢柱有限元分析

文中在试验研究的基础上运用有限元软件对Q690箱型与H形截面的高强钢柱进行建模分析,通过对比数值模拟结果与试验结果,研究高强钢柱在低周反复荷载作用下的滞回性能。结果表明有限元模拟的试件破坏现象与试验观察到的现象一致,均为柱底出现板件局部屈曲,形成塑性铰,导致试件承载力下降至失效,但有限元模拟的试件承载力比试验得到的试件承载力要高。     

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》(GB51249—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。     

国外期刊论文简介

Engineering Structures加热速率和边界约束对有蠕变的钢柱的抗火性能的影响Zhan-Fei Huang,Kang-Hai Tan,Seng-Kiong Ting(新加坡)该文对承受轴向荷载为主的热约束钢柱进行了一系列数值分析。研究的参数包括钢柱的长细比,轴向约束比,转动约束比以及轴向荷载利用系数。在热加载机制方面,采用了截面均布受热的形式,因为柱子通常是四面受火。应用程序FEM-FAN2D进行有限元分析,并明显地考虑了蠕变应变。以横截面应力和应变的发展解释了热约束钢柱的性能。另外,还研究了蠕变对于钢柱应力、应变、内力以及临界温度的影响。研究表明在某些…     

轴心受压部分包裹混凝土十字形组合柱耐火性能研究

部分包裹混凝土异形组合柱可避免室内凸柱问题的出现,但由于型钢翼缘外露和截面形状系数大,其抗火性能较差。为考察常用的十字形部分包裹混凝土组合（PEC）柱的耐火性能,采用ABAQUS有限元分析软件建立了轴压下十字形PEC柱的温度场及热力学分析模型。在已有相关试验数据验证模型可靠性的基础上,分析了十字形PEC柱的升温过程、受力机理和破坏模式,并与矩形PEC柱进行对比。之后详细研究了荷载比、长细比、截面尺寸和受火方式等对轴压下十字形PEC柱耐火性能的影响规律。结果表明：相比于矩形PEC柱,十字形PEC柱升温速度更快,耐火性能更差;十字形PEC柱耐火极限随荷载比、长细比的增加而显著降低,随截面尺寸的增大而显著提高;型钢翼缘受火对十字形PEC柱耐火极限的影响远大于混凝土表面受火的影响,但型钢翼缘不受火时,十字形PEC柱的耐火极限随混凝土受火面积的增大基本呈线性降低。基于参数分析给出了四周受火十字形PEC柱耐火极限的简化计算方法,计算结果与模拟结果吻合良好。研究结果可为异形PEC构件的抗火设计提供依据。     

钢管约束型钢混凝土柱火作用下受力性能分析

为了得到火作用下钢管约束型钢混凝土柱的抗火性能,采用有限元软件ABAQUS建立钢管约束型钢混凝土柱有限元模型、分析ISO-834标准升温条件下构件的温度场分布和耐火极限。研究截面尺寸、荷载比、长细比等因素对构件耐火极限的影响规律。采用试验数据对分析结果进行验证,吻合较好。