钢框架结构火灾反应分析及其模拟系统

论文摘要

钢结构以其突出的优点在建筑领域中得到迅速发展,随着其应用范围的逐渐扩大,钢材不耐火的缺陷也越来越受到人们的关注。20世纪80年代以来,国内外学者围绕钢结构抗火性能这一课题开展了一系列工作,但多数是针对钢构件在升温路径的研究。实际上,钢结构整体的抗火性能与单个构件相比有很大区别,而且钢结构在火灾过程中会受到升温、降温、加载、卸载不同组合的交替作用,基于单一路径的构件研究不能精确反应钢结构在火灾中的实际性能,有必要探索结构整体在多路径条件下的性能。基于以上原因,本文以钢结构整体为研究对象,对其在不同温度-荷载条件下的性能反应进行了系统研究,具体工作和相应结论主要有以下几个方面:（1）针对我国建筑结构常用钢材Q235进行了高温性能试验。以往的高温材性试验一般都是稳态试验或者瞬态试验,获得材料在某一温度状态下的应力-应变关系,以及初始弹性模量、屈服强度、极限强度等力学性能指标随温度的变化规律,这些试验获得的材料高温力学性能只与温度状态有关。本文试验设置不同的温度-荷载路径,分别得到不同路径下材料的应力-应变-温度连续函数型本构关系,探索了温度-荷载历史对钢材高温力学性能的影响。（2）基于纤维梁单元推导单元刚度矩阵。应用本文得出的钢材连续函数型本构关系,采用纤维梁单元,通过虚功原理推导出适用于钢框架结构高温分析的刚度方程。推导过程中,考虑了材料非线性和几何非线性的影响,并结合纤维梁单元的特点,通过进一步运算,给出了单元刚度矩阵的显式表达。同时还推导出微元平均应变增量以及温度荷载等物理量的显式表达,为后续的钢结构抗火分析软件编制奠定基础。（3）推导不同截面形式单元刚度矩阵纤维梁单元的应用,可以解决温度沿构件截面高度不均匀分布的计算问题。在此基础上,本文还推导了其他截面形式的刚度矩阵,使得温度在截面高度和宽度两个方向不均匀分布的条件下,以及构件截面为圆形（环形、扇形）的条件下都可以计算。（4）编制了钢结构抗火性能的有限元分析软件。在理论分析的基础上,编制了钢结构抗火性能分析程序。该程序可以同时输入多种温度-荷载路径下的本构模型,在计算过程中,由程序的路径识别模块判断出当前所处的路径状态,再据此自动选择相应的材料模型进行计算。火灾过程中至少包含一次升温、降温过程,并且高温引起的应力重分布有可能造成加载、卸载的反复,不同路径间计算的自动转化,保证了程序计算的连续性,实现了钢结构在火灾高温下反应的动态跟踪。通过本文计算结果与试验数据、ANSYS计算结果的对比,验证了本文程序的正确性,并通过几个算例介绍了该程序在实际钢结构防火设计中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钢材高温性能
• 1.2.2 钢结构抗火性能理论分析
• 1.2.3 钢结构抗火性能试验研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 不同温度－荷载路径下钢材高温材性试验
• 2.1 引言
• 2.2 试验目的
• 2.3 试验内容
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 试验材料
• 2.3.3 试验方案
• 2.4 试验结果
• 2.4.1 常温试验结果
• 2.4.2 路径试验结果
• 2.5 试验分析
• 2.5.1 不同路径试验结果分析
• 2.5.2 稳态瞬态试验结果对比
• 2.5.3 各材性指标随温度变化
• 2.5.4 三维本构关系拟合公式
• 2.6 本章小结
• 第3章 空间钢框架结构抗火性能理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本假定
• 3.3 推导单元刚度方程
• 3.3.1 位移插值函数
• 3.3.2 几何方程
• 3.3.3 物理方程
• 3.3.4 平衡方程和单元刚度方程
• 3.4 显式单元刚度矩阵
• 3.4.1 显式单元弹性矩阵
• 3.4.2 显式单元初位移矩阵
• 3.4.3 显式单元初应力矩阵
• 3.5 整体结构刚度方程
• 3.6 显式平均应变增量
• 3.7 显式温度荷载增量
• 3.8 矩形块截面网格
• 3.8.1 显式单元弹性矩阵
• 3.8.2 显式单元初位移矩阵
• 3.8.3 显式平均应变增量
• 3.8.4 显式温度荷载增量
• 3.9 扇形块截面网格
• 3.9.1 显式单元弹性矩阵
• 3.9.2 显式单元初位移矩阵
• 3.9.3 显式平均应变增量
• 3.9.4 显式温度荷载增量
• 3.10 本章小结
• 第4章 空间钢框架结构抗火性能有限元程序
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析方法
• 4.3 基本假定
• 4.4 分析步骤
• 4.5 程序框图
• 4.6 使用方法
• 4.7 截面移轴
• 4.8 本章小结
• 第5章 空间钢框架抗火分析程序算例分析
• 5.1 引言
• 5.2 程序验证
• 5.2.1 验证算例一
• 5.2.2 验证算例二
• 5.2.3 验证算例三
• 5.2.4 验证算例四
• 5.3 均匀温度分布计算
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 计算条件
• 5.3.3 计算结果
• 5.4 不均匀温度分布计算
• 5.4.1 温度分布计算
• 5.4.2 结构抗火计算
• 5.5 不同路径对比
• 5.5.1 路径设置
• 5.5.2 计算结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 本文结论及创新点
• 6.2 今后工作建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与科研成果