火灾后方钢管混凝土柱—钢梁连接节点的力学性能分析

论文摘要

近年来钢管混凝土结构在高层建筑中的应用日益广泛,为了进行其整体结构性能分析,必须对梁-柱连接节点进行深入的研究。火灾高温对结构材性有显著的影响,易造成结构破坏和倒塌,因此迫切需要研究高温对钢管混凝土梁柱节点性能的影响。本文考虑水蒸气的影响,选择合适的热工模型,建立方钢管混凝土柱-钢梁连接节点温度场有限元分析模型,并通过钢管混凝土构件、钢节点和钢管混凝土柱连接节点算例,对模型进行了验证。利用节点温度场有限元模型,进行全过程火灾下节点温度场的分析,并通过参数分析研究节点区域温度场的特点。参数包括:受火时间、钢管混凝土柱直径、钢梁翼缘宽度、钢梁高度、楼板厚度、柱防火层厚度。分析表明,节点区域温度场总体温度较非节点区温度场低,受火时间、钢管混凝土柱直径和柱防火层厚度等参数对节点温度影响较大。本文选取了合理的材料本构关系、单元模型和求解方法,考虑钢管与混凝土之间的约束效应以及钢管与混凝土之间的接触面模型,建立方钢管混凝土柱-钢梁连接节点的力学有限元分析模型,并用不同环境温度、加载路径的实验算例验证理论模型的有效性和可行性。算例包括:常温下、火灾下、恒高温后、火灾后的钢管混凝土构件,以及常温下和火灾后的钢管混凝土柱-钢梁连接节点。结果表明,计算结果与实验结果吻合较好,证明了模型的有效性。利用方钢管混凝土柱-钢梁连接节点有限元模型,考虑温度历史和应力历史,探讨了包括升降温段的全过程火灾后的方钢管混凝土柱-钢梁连接节的工作机理,分析了轴向应力变化、水平荷载-变形曲线、节点区应力分布、节点弯矩-梁柱相对转角曲线、节点变形以及钢管与混凝土相互作用力的变化,讨论了全过程火灾对节点刚度和承载力的影响,并进行了必要的参数分析,参数包括轴压比、受火时间、梁柱线刚度比、核心混凝土强度和钢材强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 钢管混凝土的特点和应用
• 1.1.2 火灾作用下钢管混凝土的性能
• 1.2 研究意义
• 1.3 课题研究现状
• 1.3.1 常温下钢管混凝土节点研究
• 1.3.2 钢管混凝土温度场研究
• 1.3.3 火灾下钢管混凝土构件研究
• 1.3.4 火灾后钢管混凝土构件和节点研究现状
• 1.4 研究内容
• 第2章 方钢管混凝土柱-钢梁连接节点的温度场分析
• 2.1 节点有限元模型的建立
• 2.1.1 热传导方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.1.3 界面处理
• 2.1.4 火灾模型
• 2.1.5 单元类型选取
• 2.2 材料热工参数
• 2.2.1 热物理性质模型
• 2.2.2 水蒸气的影响
• 2.3 实验算例验证
• 2.3.1 钢管混凝土构件
• 2.3.2 钢结构节点
• 2.3.3 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点
• 2.4 节点温度场分布及重要参数分析
• 2.4.1 考虑火灾全过程的温度场分布
• 2.4.2 节点区与非节点区的温度比较
• 2.4.3 受火时间的影响
• 2.4.4 钢管混凝土柱直径的影响
• 2.4.5 钢梁翼缘宽度的影响
• 2.4.6 钢梁高度的影响
• 2.4.7 楼板厚度的影响
• 2.4.8 柱防火层厚度的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 火灾后方钢管混凝土柱-钢梁节点的力学分析模型
• 3.1 材料的本构关系模型
• 3.1.1 钢材
• 3.1.2 混凝土
• 3.1.3 应力-应变关系的转换
• 3.2 接触面模型
• 3.3 单元类型选取
• 3.4 单元划分形式
• 3.5 边界条件
• 3.6 加载与求解
• 3.7 实验算例验证
• 3.7.1 常温下的钢管混凝土构件
• 3.7.2 火灾下的钢管混凝土构件
• 3.7.3 恒高温后的钢管混凝土构件
• 3.7.4 火灾后的钢管混凝土构件
• 3.7.5 常温下的方钢管混凝土柱-钢梁连接节点
• 3.7.6 火灾后的方钢管混凝土柱-钢梁连接节点
• 3.8 本章小结
• 第4章 火灾后方钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能分析
• 4.1 力、温度和时间作用路径
• 4.2 全过程火灾后方钢管混凝土柱-钢梁连接节点的力学分析
• 4.2.1 火灾下柱轴向应变（ε）-时间（t）关系分析
• 4.2.2 火灾后节点水平荷载（P）-变形（Δ）关系分析
• 4.2.3 火灾后节点弯矩（M）-梁柱相对转角（θ）关系分析
• 4.2.4 钢管和混凝土相互作用分析
• 4.2.5 与不考虑全过程火灾的节点工作机理比较
• 4.3 参数分析
• 4.3.1 轴压比（n）
• h）'>4.3.2 升温时间（t_h）
• 4.3.3 梁柱线刚度比（k）
• cu)'>4.3.4 核心混凝土强度(f_cu)
• y）'>4.3.5 钢材强度（f_y）
• 4.3.6 考虑全过程火灾对节点性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果