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H型截面钢柱火灾行为的有限元分析及抗火简化计算研究

作　者: 靳乐
导　师: 董毓利
学　校: 青岛理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 火灾 H型截面钢柱更新拉格朗日有限元法非线性单元刚度矩阵
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本论文对H型截面钢柱火灾行为进行了有限元分析及抗火简化计算研究。(1)对H型截面钢柱进行抗火简化计算,简化计算结果值与试验值进行比较分析。得出结论:钢柱在火灾作用下,沿弱轴方向的长细比大于沿强轴方向的长细比,沿弱轴方向的失稳临界力小于沿强轴方向的失稳临界力,钢柱沿弱轴方向先行破坏。对于不限制轴向变形钢柱,简化计算结果和试验值吻合较好,简化计算是可行的。(2)对H型截面钢柱进行火灾行为的有限元分析,包括几何非线性分析和材料非线性分析。其基本方程采用更新的拉格朗日格式,采用增量的分析方法。首先,导出以矩阵形式表示的火灾下空间钢柱的相应虚功增量方程。利用应变-位移的关系,进一步导出空间钢柱单元的线性和非线性刚度矩阵,得到空间钢柱单元的几何非线性刚度方程。再次,根据塑性力学的基本法则:屈服条件即(V.Mises)条件、一致性条件、流动法则、以及应力-应变的增量关系(其中应变增量包括弹性应变增量、塑性应变增量、温度应变增量),导出火灾下空间钢柱单元的塑性刚度矩阵和弹塑性刚度矩阵,得到空间钢柱单元的热弹塑性刚度方程。运用Fortran进行相关编程,得出火灾作用下空间H型截面钢柱随着温度变化其侧向变形情况,所得计算值与试验值吻合较好。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-13
  1.1 火灾的危害  10
  1.2 研究概况  10-11
  1.3 研究意义  11-12
  1.4 本文研究目标  12
  1.5 本文研究内容  12-13
第2章高温下结构钢的材料特性  13-23
  2.1 高温下结构钢的热物理性能  13-15
    2.1.1 钢的热传导系数  13
    2.1.2 钢的比热  13-14
    2.1.3 钢的热膨胀系数  14-15
    2.1.4 钢的密度  15
  2.2 高温下结构钢的力学性能  15-22
    2.2.1 应力—应变关系曲线  15-16
    2.2.2 泊桑比  16-18
    2.2.3 等效屈服强度  18-21
    2.2.4 初始弹性模量  21-22
  2.3 本章小结  22-23
第3章轴心受压钢柱抗火简化计算研究  23-35
  3.1 火灾下轴心受压钢构件临界应力的计算  23-25
  3.2 火灾下轴心受压钢构件的稳定系数  25
  3.3 轴心受压构件抗火验算  25-26
  3.4 算例  26-34
    3.4.1 钢柱参数  26-27
    3.4.2 算例一  27-29
    3.4.3 算例二  29-33
    3.4.4 简化计算结果与试验结果比较分析  33-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章 H型截面钢柱火灾行为的非线性有限元分析  35-78
  4.1 引言  35
  4.2 几何非线性问题(有限变形理论)的基本方程  35-45
    4.2.1 大变形条件下的应变和应力度量  35-40
    4.2.2 几何非线性问题的表达格式  40-45
  4.3 空间钢柱火灾行为的几何与材料非线性分析  45-73
    4.3.1 基本假定  45-46
    4.3.2 空间杆单元的几何非线性刚度方程  46-61
    4.3.3 热弹塑性有限元分析(空间杆单元的材料非线性刚度方程)  61-69
    4.3.4 坐标变换  69-72
    4.3.5 非线性求解过程  72-73
  4.4 理论结果与试验结果对比  73-78
第5章结论  78-79
参考文献  79-82
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  82
攻读硕士学位期间所参与的课题  82-83
致谢  83

H型截面钢柱火灾行为的有限元分析及抗火简化计算研究

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