火灾下钢梁及平面钢框架结构的非线性有限元分析

论文摘要

钢结构因具有强度高、重量轻、韧性好、施工速度快等优点,因而在现代建筑中得到了广泛的应用,但是耐火性能差是钢结构的一个致命弱点。钢材的强度、弹性模量等基本力学性能指标在高温下急剧下降,一旦发生火灾钢结构就有可能发生严重的破坏甚至过早地整体倒塌。所以对钢结构防火、抗火问题进行研究具有十分重要的理论意义和社会意义。目前国内的钢结构抗火设计主要采用基于试验的构件抗火设计方法,这种方法很难模拟构件在整体结构中的荷载分布、大小以及端部约束情况的影响,而通过计算来确定钢结构的抗火极限承载力,则可以更加合理地确定钢结构的防火保护措施。因此,对基于计算的钢结构抗火设计方法进行深入的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本文对国内外一些已有的研究成果进行了整理,对火灾高温下钢材的性能进行了一定的对比分析,得出适用于钢结构抗火设计的材性(屈服强度、弹性模量)计算模式。本文在综合国内外钢结构抗火性能研究动态的基础上,根据传热学的经典理论及有限元基本理论,采用材料非线性和几何非线性的有限元双重非线性方法对一个3层3跨的钢框架整体结构进行了抗火反应分析,运用大型有限元分析软件ANSYS中的三维热力耦合单元对平面钢框架结构进行温度计算和力学分析,研究了火灾下结构的薄弱环节,得到结构的耐火时间和临界温度,并得出了各个时刻结构的温度场和变形,从而更加真实地反映出结构的抗火性能。本文研究成果对真实火灾作用下结构体系抗火极限状态的研究以及钢结构建筑抗火设计具有一定的指导意义和参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 钢结构抗火的目的与意义
• 1.3 钢结构抗火在国内外的研究现状
• 1.4 本文的研究工作和内容
• 第2章 传热学基本原理及高温下结构钢的材料特性
• 2.1 室内火灾升温曲线
• 2.1.1 室内火灾的升温过程
• 2.1.2 室内火灾的模拟化
• 2.1.3 室内火灾的标准升温曲线
• 2.2 传热学基本理论
• 2.2.1 三种基本热传递方式
• 2.2.2 热传导方程
• 2.2.3 定解条件和求解方法
• 2.3 钢材在高温下的热物理特性
• s'>2.3.1 钢材的导热系数λ_s
• s'>2.3.2 钢材的热膨胀系数α_s
• s'>2.3.3 钢材的比热c_s
• s'>2.3.4 钢材的密度ρ_s
• s'>2.3.5 钢材的泊松比v_s
• 2.4 钢材在高温下的力学性能
• 2.4.1 钢材的弹性模量随温度变化的规律
• 2.4.2 钢材的屈服强度随温度变化的规律
• 2.4.3 高温下钢材的应力-应变关系
• 2.4.4 蠕变效应
• 2.5 本章小结
• 第3章 高温下钢框架结构非线性有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 ANSYS热分析简介
• 3.2.1 稳态热分析
• 3.2.2 瞬态热分析
• 3.2.3 热分析单元
• 3.3 结构非线性有限元分析
• 3.3.1 材料非线性
• 3.3.2 几何非线性
• 3.4 耦合场分析
• 3.5 基本计算假定
• 3.6 本章小结
• 第4章 钢框架梁抗火反应分析
• 4.1 计算模型
• 4.2 材料属性的定义
• 4.2.1 钢材的导热系数
• 4.2.2 钢材的比热
• 4.2.3 钢材的初始弹性模量
• 4.2.4 高温下结构钢的强度
• 4.2.5 钢材其他属性定义
• 4.3 温度场分析
• 4.4 结构分析
• 4.4.1 只考虑火作用下刚接梁分析
• 4.4.2 火作用与均布荷载下刚接梁分析
• 4.4.3 火作用与均布荷载下简支梁分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 平面钢框架的热-结构耦合分析
• 5.1 火灾下钢结构的极限状态
• 5.1.1 承载力极限状态
• 5.1.2 正常使用极限状态
• 5.2 计算模型
• 5.3 温度场分析
• 5.3.1 梁柱的受火形式
• 5.3.2 加载和求解
• 5.4 结构分析
• 5.4.1 计算模型
• 5.4.2 加载和求解
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 有待进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文