H型截面钢柱的火灾反应非线性分析

论文摘要

钢结构具有自重轻,施工快,抗震性能好等优点,在现代建筑中得到广泛的应用。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。现行规范的处方式抗火设计方法,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,而有限元方法可以很方便的分析钢结构的火灾行为。为此,本文做了以下研究工作:1.整理了国内外已有的钢结构抗火研究成果,对火灾下钢材的性能进行了对比分析,得出适用于钢结构抗火计算的材性（屈服强度、弹性模量等）计算模式。2.在Total Lagrange坐标系下,推导了适用于材料非线性和几何非线性的有限元增量平衡方程,得到了单元切线增量刚度矩阵和非平衡力荷载的基本表达式。在此基础上,运用有限元法对火灾下H型截面钢柱进行非线性分析,得出钢柱的单元切线增量刚度矩阵和非平衡力荷载的具体表达式。3.基于支持面向对象程序设计的C++语言编制非线性有限元程序,实现H型钢柱内力分析的非线性有限元程序设计。温度的读入以及等效节点温度荷载和由温度变化引起的不平衡力的计算都在单元类里进行。4.利用所编程序对工况不同的H型钢柱进行计算,得出了轴向变形、轴向膨胀力、侧移、转角等与时间、温度之间的关系。将计算结果与试验结果进行对比分析,结果表明本文所采用的理论及所编制的程序是正确、可靠的。本文工作可为今后钢结构抗火工程的研究和实际工程的防火设计计算提供一些参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 建筑火灾的危害
• 1.1.2 火灾中钢结构的破坏
• 1.2 钢结构抗火研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 钢结构抗火设计方法
• 1.3 C++程序语言简介
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 高温下结构钢材料特性
• 2.1 高温下结构钢的热物理特性
• 2.1.1 热膨胀系数
• 2.1.2 密度
• 2.2 高温下结构钢的力学性能
• 2.2.1 应力—应变关系
• 2.2.2 泊桑比
• 2.2.3 等效屈服强度
• 2.2.4 初始弹性模量
• 2.3 本章小结
• 第3章 火灾下H 型截面钢柱非线性有限元分析
• 3.1 有限元分析基本步骤
• 3.2 火灾下H 型钢柱非线性有限元分析
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 应变位移方程
• 3.2.3 整体平衡方程
• 3.2.4 增量平衡方程
• 3.2.5 非线性方程求解
• 3.3 高温下单元截面的几何参数和力学参数
• 3.3.1 弹性状态下几何参数和力学参数
• 3.3.2 塑性状态下几何参数和力学参数
• 3.3.3 截面弯曲刚度系数
• 3.4 火灾下H 型钢柱单元切线刚度方程
• 3.4.1 分析模型和单元刚度矩阵
• 3.4.2 坐标转换矩阵
• 3.4.3 等效温度载荷
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于C++非线性有限元程序设计
• 4.1 有限元模型
• 4.2 非线性有限元程序设计
• 4.2.1 程序基本内容
• 4.2.2 模块划分
• 4.2.3 结构基本属性描述
• 4.2.4 结构基本属性程序设计
• 4.3 程序设计注意事项
• 4.4 本章小结
• 第5章 H 型钢柱非线性有限元计算结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 铰接柱计算结果分析
• 5.2.1 热膨胀
• 5.2.2 侧移
• 5.2.3 转角
• 5.3 下端固定上端铰接柱计算结果分析
• 5.3.1 热膨胀
• 5.3.2 侧移
• 5.4 下端固定上端刚接柱计算结果分析
• 5.4.1 轴心受压柱计算结果分析
• 5.4.2 偏心受压柱计算结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢