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梁柱全焊接节点火灾响应特性研究

作　者: 王汉杰
导　师: 姚斌
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 全焊接节点响应特性抗火性能有限元分析升降温速率火灾
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

?钢结构梁柱节点是钢结构建筑中的关键组成部分,在保持钢结构完整性和稳定性方面发挥至关重要的作用。梁柱全焊接节点是现有钢结构建筑中应用非常广泛的节点形式之一,研究全焊接节点的抗火性能是进行钢结构抗火设计、火灾安全评估的重要前提和基础,具有很重要的现实意义。本文首先对前人所完成的钢结构全焊接节点试验进行了有限元模拟的初步验证,分析验证了有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性;其次运用ANSYS有限元分析软件对梁柱全焊接节点试件进行模拟计算,分析不同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示特定参数对全焊接节点的火灾响应特性,对比分析全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能;然后建立具有防火涂层的有限元模型,研究不同受火方式和不同防火涂层厚度在不同温升条件对全焊接节点抗火性能的影响;最后探索性的研究了梁柱全焊节点在降温阶段的抗火性能变化,研究结果表明:1、有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究方面具有较强的适用性。利用有限元分析方法的结果与全焊接节点试验结果对比得到有限元分析结果和试验结果有较强一致性的结论。2、不同升温曲线对全焊节点到达极限状态的时间有显著影响。在具有相同升温曲线的条件下,全焊接节点加载的荷载比越大,节点到达极限状态的时间越短。带有加劲肋的全焊节点耐火时间略长于无加劲肋的节点。在相同升温条件下,全焊节点的耐火时间比栓焊节点的长,抗火临界温度略高于栓焊节点。3、不同受火方式能够显著影响梁柱全焊接节点的耐火时间,节点受火方式比梁柱受火方式更容易缩短节点的耐火时间,从而使节点更容易达到危险状态。对于梁柱全焊接节点,在不同的温升条件下,不同厚度的防火涂层对节点的温度变化有着显著的影响,涂层越厚,节点的温度变化范围越小,节点的耐火时间越长。4、不同降温速率对相同约束荷载水平的梁柱全焊接节点的抗火性能有着重要影响。降温速率越慢,节点经历的温度越高,且经历的高温过程越长,导致节点变形越大;降温速率越快,节点经历的温度越低,且经历的高温过程越短,导致节点变形越小。不同升温速率对梁柱全焊接节点降温阶段的抗火性能也有着重要影响,升温速率越快,节点在降温阶段的抗火性能的下降也越明显;升温速率越慢,节点在降温阶段的抗火性能的下降也越不明显。本文研究成果可为现实钢框架工程中全焊接节点的抗火设计提供参考和依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-26
  1.1 引言  11-12
  1.2 梁柱节点分类  12-14
  1.3 钢结构抗火研究中的重要概念  14-18
    1.3.1 建筑火灾发展过程  14-15
    1.3.2 标准火灾温升曲线  15-16
    1.3.3 自然火灾温升曲线  16-17
    1.3.4 钢结构抗火失效判据  17-18
    1.3.5 耐火极限和临界温度  18
  1.4 国内外研究现状  18-20
    1.4.1 试验研究  18-19
    1.4.2 有限元分析  19-20
    1.4.3 现有研究的不足  20
  1.5 本文研究工作  20-24
    1.5.1 研究目标  21
    1.5.2 研究内容  21
    1.5.3 研究思路  21-22
    1.5.4 本文章节安排  22-24
  参考文献  24-26
第二章结构钢高温特性  26-36
  2.1 结构钢的热工性能  26-28
    2.1.1 导热系数  26-27
    2.1.2 比热容  27
    2.1.3 热膨胀系数  27-28
    2.1.4 密度  28
  2.2 结构钢的力学性能  28-34
    2.2.1 初始弹性模量  28-29
    2.2.2 泊松比  29-30
    2.2.3 等效屈服强度  30
    2.2.4 高温下结构钢的蠕变  30-31
    2.2.5 高温下机构钢的松弛  31-32
    2.2.6 应力—应变关系  32-34
  2.3 本章小结  34-35
  参考文献  35-36
第三章梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元分析  36-65
  3.1 引言  36-37
  3.2 有限元基本理论  37-43
    3.2.1 有限元分析方法概述  37-39
    3.2.2 温度场的有限元分析  39-42
    3.2.3 结构的有限元分析  42-43
  3.3 钢结构全焊接节点有限元模拟的初步验证  43-53
    3.3.1 试验简介  43-45
    3.3.2 有限元模型的建立  45-46
    3.3.3 有限元分析结果  46-51
    3.3.4 有限元模型的验证  51-53
  3.4 梁柱全焊接节点有限元分析  53-60
    3.4.1 有限元模型建立  54-55
    3.4.2 火灾升温模型的选择  55-56
    3.4.3 梁端荷载的确定  56-57
    3.4.4 不同升温条件对全焊节点火灾行为的影响分析  57-59
    3.4.5 参数对节点抗火性能的影响分析  59-60
  3.5 全焊节点和栓焊节点抗火性能的对比分析  60-62
    3.5.1 耐火时间  60-61
    3.5.2 抗火临界温度  61-62
  3.6 本章小结  62-64
  参考文献  64-65
第四章受火方式及防火涂层对全焊节点抗火性能的影响  65-81
  4.1 引言  65-66
  4.2 有限元模型的建立  66-69
    4.2.1 有限元模型  66-67
    4.2.2 防火涂料特性  67-68
    4.2.3 有限元分析方案设计  68-69
  4.3 受火方式对全焊接节点抗火性能的影响分析  69-74
    4.3.1 ISO 温升曲线下不同受火方式对节点的影响  69-71
    4.3.2 BFD 温升曲线下不同受火方式对节点的影响  71-74
  4.4 防火涂层对全焊接节点抗火性能的影响分析  74-79
    4.4.1 防火涂层厚度的影响分析  74-79
  4.5 本章小结  79-80
  参考文献  80-81
第五章梁柱全焊接节点降温阶段抗火性能研究  81-100
  5.1 引言  81-82
  5.2 有限元模型的建立  82-83
    5.2.1 有限元模型  82
    5.2.2 降温速率的选取  82-83
  5.3 不同降温速率对梁柱全焊节点抗火性能的影响  83-92
    5.3.1 有限元分析方案设计  83-84
    5.3.2 ISO 温升曲线下不同降温速率对节点的影响  84-88
    5.3.3 BFD 温升曲线下不同降温速率对节点的影响  88-92
  5.4 不同升温条件对节点降温段抗火性能的影响  92-98
    5.4.1 温升曲线的选取  92-93
    5.4.2 有限元分析方案设计  93-94
    5.4.3 结果分析  94-98
  5.5 本章小结  98-99
  参考文献  99-100
第六章结论及展望  100-103
  6.1 主要结论  100-101
  6.2 创新点  101-102
  6.3 进一步工作展望  102-103
致谢  103-104
在读期间发表的学术论文和取得的研究成果  104

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