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约束H型钢柱的火灾行为研究

作　者: 郑小尧
导　师: 王新堂
学　校: 宁波大学
专　业: 结构工程
关键词: 约束钢柱火灾行为非均匀温度场有限元计算方法火灾试验
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 24次
引　用: 1次
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内容摘要

钢结构具有自重轻、施工快、抗震性能好、可利用的建筑面积大等优点,因而在建筑结构,尤其是工业厂房和高层建筑中得到较广泛的应用。然而,钢结构的耐火性能差,在高温下强度、弹性模量急剧下降。当温度达到600℃,钢材基本上丧失全部强度和刚度,无防火措施的钢结构在较短的时间内就可能倒塌。因此,随着钢结构在建筑工程中发挥着日益重要的作用,又基于钢材的不耐火性,对各类钢柱抗火性能及有效的抗火方法的研究已经成为学术界和工程界所关注的热点问题。本文以约束H型受火钢柱为研究对象,在考虑非均匀温度场和柱端变化约束的基础上,提出了火灾下约束H型钢柱的力学计算模型。针对现有的火灾试验结果,使用有限元程序MSC.Marc分别对构成计算模型的两个重要要素(非均匀瞬态温度场和柱端约束)进行详细的计算分析,探讨了不同着火模式下的钢柱截面非均匀温度分布规律和柱端约束随温度变化的关系。在此基础上,进行了不同条件下H型钢柱的火灾行为分析,即分别对非均匀温度场分布、轴压比以及柱端约束等火灾行为的影响因素进行了详细的参数分析,探讨了轴心受压作用下的约束钢柱的火灾行为以及破坏机理。针对现有文献试验设计的不足,本文进一步设计了在钢梁约束情况下的H型钢柱,分别开展了在轴向约束、转角约束以及自由膨胀情况下的无荷载H型钢柱火灾试验,进一步探讨了H型钢柱在钢梁约束情况下的火灾行为。最后通过以上分析研究,总结了约束H型钢柱的火灾行为以及破坏机理,得到了一些对H型钢柱的抗火设计具有一定参考价值的结论。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
引言  9-10
1 绪论  10-16
  1.1 火灾的危害  10-12
  1.2 钢结构抗火研究现状概况  12-15
    1.2.1 钢柱抗火的国外研究现状  12-14
    1.2.2 钢柱抗火的国内研究现状  14
    1.2.3 存在的不足之处  14-15
  1.3 本文研究的主要内容  15-16
2 火灾下结构钢的性能及有限元分析的基本原理  16-43
  2.1 高温下常用结构钢的物理特性  16-19
    2.1.1 热膨胀系数  16-17
    2.1.2 导热系数  17-18
    2.1.3 比热容  18-19
    2.1.4 密度  19
  2.2 室内火灾分析模型与升温曲线  19-24
    2.2.1 火灾分析模型  19-20
    2.2.2 标准升温曲线  20-22
    2.2.3 实际火灾燃烧模型  22
    2.2.4 两种火灾燃烧模型的比较  22-23
    2.2.5 等效曝火时间  23-24
  2.3 高温下常用结构钢的力学特性  24-29
    2.3.1 高温下结构钢的强度  24-25
    2.3.2 高温下普通结构钢的弹性模量  25-26
    2.3.3 泊松比  26
    2.3.4 本构关系  26-27
    2.3.5 钢材的高温蠕变与松弛  27-29
  2.4 有限元分析的基本原理  29-43
    2.4.1 热传导问题的数学描述  29-33
    2.4.2 热传导问题的有限元描述  33-35
    2.4.3 一阶常微分方程组的初值问题  35-37
    2.4.4 热应力分析的有限元描述  37-40
    2.4.5 有限元软件MSC.MARC 介绍  40-43
3 火灾下H 型钢柱的热响应分析  43-54
  3.1 四类着火模式  43-44
  3.2 钢柱瞬态温度场的有限元分析  44-47
    3.2.1 钢框架的有限元建模  44-45
    3.2.2 瞬态温度场有限元分析  45-47
  3.3 各种着火模式下的H 型钢柱非均匀温度场分布规律  47-53
    3.3.1 有限元结果与文献[43]试验情况比较  47
    3.3.2 四面受火情况  47-50
    3.3.3 三面受火情况  50-52
    3.3.4 两面受火和一面受火情况  52-53
  3.4 小结  53-54
4 约束H 型钢柱的火灾行为分析  54-75
  4.1 火灾高温下约束H 钢柱的计算模型  54-55
  4.2 火灾高温下约束H 型钢柱的柱端约束刚度  55-58
    4.2.1 柱端约束刚度的求解方法  55-56
    4.2.2 各种着火模式下底层中柱端的约束  56-58
  4.3 约束钢柱的火灾行为分析  58-59
    4.3.1 受火约束H 型钢柱的有限元建模  58-59
    4.3.2 约束钢柱的火灾行为的有限元分析方法  59
  4.4 四面受火情况下的火灾行为  59-67
    4.4.1 破坏形态  60-62
    4.4.2 结构响应  62-66
    4.4.3 临界温度  66-67
  4.5 不同温度场分布对约束钢柱的火灾行为的影响  67-69
    4.5.1 破坏形态  67-68
    4.5.2 结构响应  68
    4.5.3 临界温度及耐火极限  68-69
  4.6 不同轴压比的影响  69-71
  4.7 不同柱端约束刚度的影响  71-73
    4.7.1 柱端约束随温度变化对火灾行为的影响  71-72
    4.7.2 轴向约束对火灾行为的影响  72-73
  4.8 小结  73-75
5 约束H 型钢柱的火灾试验  75-90
  5.1 火灾试验炉  75-76
  5.2 试验方案  76-81
    5.2.1 实验设计  76-79
    5.2.2 钢材材性试验  79
    5.2.3 测试装置  79-80
    5.2.4 火灾试验升温曲线  80-81
  5.3 试验结果分析  81-89
    5.3.1 试验宏观现象  81
    5.3.2 温度场  81-85
    5.3.3 轴向变形  85-89
  5.4 小结  89-90
6 结论  90-92
参考文献  92-95
在学研究成果  95-96
致谢  96

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