梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性研究

论文摘要

作为钢结构建筑的重要组成部分,钢结构梁柱节点对于保持钢结构整体性能起到至关重要的作用。钢结构梁柱节点的耐火性能对于保证火灾中结构的完整性、延长建筑物的耐火时间、保护生命财产等有着非常重要的影响。系统地研究节点在不同火灾环境下的响应特性,是进行钢结构抗火设计、火灾安全评估的重要前提和基础。本文对Q235B结构钢的高温力学性能进行了研究,在此基础上以钢结构建筑中广泛应用的栓焊混合边节点为研究对象,采用全尺寸火灾试验与有限元模拟相结合的方法,对其在火灾中的热响应特性、结构受力特点及破坏机理等进行了系统的研究,主要内容包括:1.采用恒温加载的试验方法,对国内钢结构建筑中广泛采用Q235B结构钢高温力学性能进行试验研究,获得其在不同温度下的弹性模量、屈服强度、比例极限、极限应变,并基于试验数据建立了简化的应力-应变模型。2.利用火灾科学国家重点实验室自行设计的热-力耦合模拟实验台,对栓焊混合边节点进行常温下的足尺恒温加载试验,获得所设计节点的弯矩-转角模型及其极限弯矩;对栓焊混合节点进行恒载升温火灾试验,获得不同工况下节点的温度-转角关系,分析了梁端载荷及火灾温升模型对节点抗火性能的影响。试验结果表明,较慢的火灾升温速率将使节点温升变缓,温度场分布更均匀,有助于提高节点的耐火性能;在相同的火灾环境下,载荷比的降低可以提高节点的极限温度;火灾中节点的主要破坏形式为梁下翼缘发生局部屈曲,柱子发生明显扭曲。试验结果同时表明,火灾下栓焊节点梁翼缘和柱翼缘间的焊缝质量是影响节点抗火性能的主要因素,对于焊缝质量不合格的节点,焊缝处往往成为火灾下节点最易发生破坏的部位,从而导致节点提前失效。3.针对所研究的栓焊混合节点,建立火灾下栓焊节点热-力耦合三维非线性有限元模型,并通过试验结果对模型进行验证。模型中所有组件均采用实体单元,并考虑了材料非线性和几何非线性;采用接触单元对节点中所涉及接触问题进行模拟;螺栓预紧力则采用预紧单元进行模拟。考虑到温度场的变化将引起热应变,而结构应力变化对温度场分布没有太大的影响,火灾下节点所受的热-力耦合作用采用顺序热-力耦合分析方法来模拟,即首先进行节点温度场的分析,在随后所进行的结构分析中将节点温度作为体载荷施加在节点上。利用试验数据验证了该有限元模型用于对该节点抗火性能研究的有效性,并对节点失效机理进行了分析,结果表明柱腹板为节点最薄弱的环节。4.通过对不同载荷下设计节点的火灾响应特性进行分析,建立了节点弯矩-转角-温度模型。对影响节点的主要因素所开展的参数敏感性分析表明,柱腹板和柱翼缘的厚度对节点抗火性能有显著影响,梁翼缘次之,连接端板厚度和梁腹板厚度对节点性能几无影响。基于参数分析所得数据,采用数理统计方法建立了节点耐火时间与主要影响参数间的关系。通过设定不同的火灾模式,研究了火灾发展过程对节点性能的影响作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 梁柱节点分类
• 1.3 建筑防火
• 1.3.1 建筑火灾的发展
• 1.3.2 标准火灾温升曲线
• 1.3.3 欧洲规范参数火灾模型
• 1.3.4 “BFD 曲线”温升模型
• 1.4 钢构件抗火失效判据
• 1.4.1 抗火极限状态
• 1.4.2 耐火时间与临界温度
• 1.5 梁柱节点抗火研究进展
• 1.5.1 国外研究进展
• 1.5.2 国内研究进展
• 1.5.3 目前研究的不足
• 1.6 本文的研究工作
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究思路和目标
• 第2章 结构钢高温材料特性
• 2.1 高温下结构钢的热工性能
• 2.1.1 钢的密度
• 2.1.2 钢的导热系数
• 2.1.3 钢的比热容
• 2.1.4 钢的热膨胀系数
• 2.2 高温下结构钢的力学性能
• 2.2.1 初始弹性模量
• 2.2.2 泊松比
• 2.2.3 等效屈服强度
• 2.2.4 应力-应变关系曲线
• 2.3 本章小结
• 第3章 Q235B结构钢高温力学性能试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验概述
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 试验试件
• 3.2.3 试验方法
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 屈服强度折减系数
• 3.3.2 弹性模量折减系数
• 3.3.3 高温应力-应变模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性试验研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验目的
• 4.3 试验内容
• 4.4 实验台介绍
• 4.4.1 加热系统
• 4.4.2 力加载系统
• 4.4.3 数据采集及监控系统
• 4.4.4 实验台主要技术指标
• 4.5 试验概述
• 4.5.1 试件设计
• 4.5.2 试验方案
• 4.5.3 测试内容
• 4.5.4 试验准备
• 4.6 试验结果分析
• 4.6.1 常温试验
• 4.6.2 高温火灾试验
• 4.7 本章小结
• 第5章 梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性有限元分析
• 5.1 前言
• 5.2 有限元基本理论
• 5.3 温度场的有限元分析
• 5.3.1 热传导的基本原理
• 5.3.2 热对流的基本原理
• 5.3.3 热辐射的基本原理
• 5.3.4 热分析所采用的单元
• 5.3.5 热分析中辐射换热的计算
• 5.4 结构有限元分析
• 5.4.1 结构分析所采用的单元
• 5.4.2 结构分析中载荷的加载
• 5.5 钢结构栓焊混合边节点有限元模拟及其初步验证
• 5.5.1 试验简介
• 5.5.2 节点温度场分析有限元模型
• 5.5.3 节点结构分析有限元模型
• 5.5.4 节点有限元分析的结果
• 5.5.5 节点有限元模型的验证
• 5.5.6 无加劲肋节点失效机理分析
• 5.6 不同外部载荷下栓焊混合边节点有限元模拟及其验证
• 5.6.1 节点温度场分析有限元模型
• 5.6.2 节点结构分析有限元模型
• 5.6.3 节点有限元分析的结果
• 5.6.4 不同外部载荷下带加劲肋节点失效机理分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 梁柱栓焊混合边节点火灾响应参数分析
• 6.1 前言
• 6.2 节点载荷响应分析
• 6.2.1 参数设计
• 6.2.2 节点弯矩-转角-温度模型
• 6.3 节点几何参数分析
• 6.3.1 节点参数设计
• 6.3.2 端板厚度影响
• 6.3.3 柱腹板厚度影响
• 6.3.4 柱翼缘厚度影响
• 6.3.6 梁腹板厚度影响
• 6.3.6 梁翼缘厚度影响
• 6.3.7 节点参数响应模型
• 6.4 火灾发展过程影响分析
• 6.4.1 火灾温升模型设计
• 6.4.2 计算结果分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 附录 部分命令流
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果