约束钢梁在升温段和降温段的反应及梁柱节点的破坏研究

论文摘要

钢结构抗火的目的是使结构在火灾发生后一定的时间内免于倒塌，以保证建筑物内人员安全撤离及消防队有充足时间灭火。由于确定一结构在火灾下的整体稳定性存在相当的难度，目前国内外规范都是通过保证单独构件在火灾下的稳定来确保整体结构在火灾下的安全。最初的钢结构防火设计以基于试验的设计方法为主，由于该方法存在一系列的不足，钢结构防火设计方法逐渐转变为基于计算的设计方法。不管是基于试验的设计方法，还是基于计算的设计方法，都是将构件从整体结构中分离出来，独立的进行抗火设计，通过保证单独构件火灾下的承载能力来确保整体结构在火灾下的安全。随着钢结构抗火研究的发展，国内外越来愈多的研究者对这一方法提出质疑，因为单独构件的受力状态及约束条件与实际结构中的构件有很大不同，整体结构不仅对构件存在约束，而且构件对整体结构会产生反作用，因而以单独构件的火灾反应来代表实际结构中构件的火灾反应，进而据此评估火灾下整体结构的安全与稳定性就会有很大误差。 对火灾下受约束钢构件的研究基本上始于上个世纪90年代中期。在这十多年中，已经取得了一些成果，例如可以采用有限元方法较好的模拟约束钢梁在火灾下的反应、进行参数分析，提出了简化的分析理论，但是在有些方面仍有些不足或研究空白，本文即在前人研究的基础上，对约束钢梁的研究做了一些补充，主要如下： (1)以前约束钢梁的分析理论中，由于模型中截面应力发展在弹性段向塑性段转变时有突变，使梁的变化在弹性段与塑性段不连续，本文提出了连续过渡的应力应变发展理论，解决了这一问题； (2)约束钢梁自身的刚度，对约束钢梁的反应有重要影响，但目前约束钢梁的分析理论中，未能很好的考虑约束钢梁自身刚度的变化。本文根据曲梁的变形特点和虚功原理，分析了约束钢梁自身刚度的变化过程。 (3)以前的研究中，还未见有文献对火灾下约束钢梁局部屈曲的问题进行研究，然而，局部屈曲对梁内轴力变化有很大影响，本文根据弹塑性屈曲理论，对此进行了分析，填补了空白。 (4)以前的研究中，还未见有文献对约束钢梁在降温段的反应进行研究。作者对此进行了理论研究和试验研究。研究表明在降温段约束钢梁内会产生很

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 约束钢梁研究现状
• 1.3 钢结构梁柱节点的研究现状
• 1.4 当前钢结构中钢梁的抗火设计方法
• 1.5 当前研究存在的问题与本文研究目标
• 1.6 本文各章主要内容
• 第2章 高温下钢材的材料性能
• 2.1 高温下钢材的应力—应变关系
• 2.2 高温下普通钢材的屈服强度和弹性模量
• 2.3 高温下高强螺栓钢材的屈服强度和弹性模量
• 2.4 钢材的膨胀系数
• 第3章 约束钢梁试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验目的
• 3.3 试验内容
• 3.4 材性试验
• 3.5 抗火试验
• 3.5.1 试件设计与加载方案
• 3.5.2 量测内容及测量仪器布置
• 3.5.3 变形与破坏特点
• 3.5.4 试验量测结果
• 3.5.5 试验结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 受火约束钢梁在升温段和降温段的理论分析
• 4.1 约束钢梁在火灾下的特点
• 4.2 约束钢梁在升温段的研究
• 4.2.1 温度分布及其对约束钢梁的影响
• 4.2.2 约束钢梁在大变形状态下的变形曲线
• 4.2.3 梁的等效轴向刚度和轴力
• 4.2.4 截面应力分布、截面的综合轴力及抵抗弯矩
• 4.2.5 约束钢梁屈曲分析
• 4.2.6 大变形状态下约束钢梁的平衡方程
• 4.3 约束钢梁在降温段的分析
• 4.3.1 在降温段约束钢梁拉力的产生
• 4.3.2 降温过程中约束钢梁变化的分解
• 4.3.3 降温过程中梁自身刚度的变化
• 4.3.4 温度降低引起的轴力
• 4.3.5 弹性模量恢复引起的变化
• 4.3.6 降温梯度引起的变化
• 4.3.7 收缩轴拉力引起的变化
• 4.3.8 约束钢梁在降温段的分析步骤
• 4.4 火灾下约束钢梁的轴力对临近梁柱节点的影响
• 4.5 小结
• 第5章 理论验证及参数分析
• 5.1 理论分析结果与作者试验的比较
• 5.2 升温段理论分析结果与其他试验的比较
• 5.3 降温段约束钢梁理论分析方法的与其他理论的比较
• 5.4 升温段约束钢梁的参数分析
• 5.4.1 轴向约束刚度对约束钢梁的影响
• 5.4.2 转动约束刚度对约束钢梁的影响
• 5.4.3 梁的荷载比对约束钢梁的影响
• 5.4.4 梁的高跨比对约束钢梁的影响
• 5.4.5 钢材屈服强度对约束钢梁的影响
• 5.4.6 荷载类型对约束钢梁的影响
• 5.4.7 钢梁局部屈曲对约束钢梁的影响
• 5.4.8 温度分布对约束钢梁的影响
• 5.5 降温段约束钢梁的参数分析
• 5.5.1 梁开始降温时的温度对约束钢梁的影响
• 5.5.2 降温段轴向约束刚度对约束钢梁的影响
• 5.5.3 降温段转动约束刚度对约束钢梁的影响
• 5.6 小结
• 第6章 约束钢梁实用抗火验算方法
• 6.1 约束钢梁火灾下的反应特点及简化
• 6.2 约束钢梁耐火极限的确定
• f时的挠度'>6.3 约束钢梁在T_f时的挠度
• 6.4 降温段的轴力和梁端弯矩
• 6.5 梁端节点验算
• 6.6 约束钢梁设计目标
• 6.7 约束钢梁和节点抗火算例
• 第7章 总结
• 7.1 本文主要工作
• 7.2 本文主要结论
• 7.3 今后研究建议
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果