薄壁槽钢柱的抗火性能研究

《薄壁槽钢柱的抗火性能研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《薄壁槽钢柱的抗火性能研究（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、结构工程专业毕业论文结构工程专业毕业论文 精品论文精品论文 薄壁槽钢柱的抗火性能研究薄壁槽钢柱的抗火性能研究关键词：抗火性能关键词：抗火性能 热轧薄壁槽钢柱热轧薄壁槽钢柱 弯曲扭转屈曲弯曲扭转屈曲 冷弯薄壁槽钢柱冷弯薄壁槽钢柱 畸变屈曲畸变屈曲 有限元分析有限元分析摘要：火，作为人类从野蛮进化到文明的重要标志，给人类带来了光明和温暖、 智慧和财富，但却在失去控制的时候，会造成生命和财产的巨大损失。建筑火 灾多发性非常强，而钢结构由于不耐高温的缺点，发生火灾时，后果将更为严 重，因此对钢结构和钢构件抗火性能的研究对人类的生产和生活具有非常重要 的意义。 单轴对称的开口薄壁构件，如不等翼缘的工字钢

2、、槽钢、角钢不同 于普通工字钢，在集中荷载作用下，具有整体分叉屈曲特性，即可能发生弯曲 屈曲或者弯曲扭转屈曲，从而导致构件因达到极限承载状态而失效。有学者曾 经对冷弯薄壁型钢的抗火性能进行了一些研究，然而，高温对冷弯型钢的影响 与其对热轧钢的影响效应有所不同，而且，对于具有约束的普通工字型钢柱的 抗火承载力计算方法是否适用于具有分叉屈曲特性的热轧薄壁槽钢柱有待于进 一步探讨，且有必要寻找一种解析的方法或者半经验的公式来计算具有轴向约 束的热轧薄壁槽钢柱的理论抗火极限。 由于槽钢柱在真实结构中的边界条件 和在火灾中的结构响应更为复杂，温度与变形之间的关系也更加多样，而这种 复杂的条件下无论是抗火

3、承载力还是结构的变形都很难得到理论的解析解，足 尺寸的试验方法虽然最能够反映确切的问题，但试验过程复杂、周期长且对人 力物力消耗巨大，因此，采用有限元的方法，从较为简单的边界条件出发，探 索适合用于槽钢结构抗火性能分析的数值方法，可以为进一步的研究提供参考。基于前述背景，针对钢结构柱抗火性能研究中的不足，本文对热轧与冷弯薄 壁槽钢柱的抗火性能进行了理论分析、试验研究和有限元数值模拟，得到了一 些有重要参考价值的结论。 本文对热轧与冷弯两种薄壁槽钢柱的抗火性能进 行评估分析，研究其在高温状况下的屈曲特性，如弯曲、弯曲扭转屈曲，以及 特别针对冷弯薄壁槽钢柱的局部屈曲、畸变屈曲。基于著名的 Rank

4、ine 公式分 别提出适合热轧薄壁槽钢柱抗火设计的计算方法，考虑了轴向约束对柱子受热 膨胀的约束作用，并结合考虑整体分叉屈曲对槽钢柱抗火性能的影响，用迭代 的方式得到高温下槽钢柱的极限承载力，以及在某一设计荷载下的耐火失效温 度。 本文亦对 4 种截面 11 个热轧薄壁槽钢柱试件分别进行了稳态与瞬态的 抗火试验研究，进一步观察其高温特性、变形模式，得到抗火极限承载力和失 效温度的试验值；试验结果用于验证理论计算方法和为有限元模型提供必要的 数据。 借助有限元软件 MSC.Marc.Mentat 对热轧薄壁槽钢柱进行数值模拟， 采用 Trahair 的初始缺陷公式进行有限元建模，数值计算结果与理

5、论解、试验 值对比，误差较小，失效变形模式基本一致，验证了有限元方法可以较准确地 模拟槽钢柱的抗火特性，得到较准确的抗火极限估计值，同时证明了理论方法 的可靠性和合理性。采用有限元法和理论计算的方法对热轧薄壁槽钢柱的长细 比、扭转刚度参数及截面的宽高比对其抗火性能的影响进行参数分析，得到了 各种参数对热轧薄壁槽钢柱抗火性能的影响规律。 针对冷弯薄壁槽钢柱，由 于其较大的截面厚实性系数，在火灾或高温情况下，各种屈曲形式相互作用使 得槽钢柱的抗火性能比普通钢构件的抗火性能差得多。本文从理论研究的方面， 采用 Hancock 和 Schafer 分别提出的弹性畸变屈曲临界应力计算公式，考虑局 部屈曲

6、、畸变屈曲与整体屈曲同时发生情况，通过修正室温下的欧洲规范EC3：Part1.3 与英国规范 BS5950：Part5 针对冷弯型钢受压构件的计算方法， 并考虑高温所导致的材性恶化，得到了计算冷弯薄壁型钢柱的抗火极限计算公 式，对比曼彻斯特大学 YC Wang 等人的试验研究结果，四种方法均与试验结果 吻合较好，通过进一步比较分析发现：采用 Hancock 提出的畸变屈曲临界力计 算公式修正欧洲规范 EC3：Part1.3，并考虑整体屈曲形式及钢材等级的影响， 进而得到的新的 Rankine 公式，因其与试验的误差绝对值最小，且结果偏安全， 所以是最为适合计算冷弯薄壁槽钢柱抗火极限的方法，推荐

7、使用，并对我国钢 结构抗火设计提供参考。正文内容正文内容火，作为人类从野蛮进化到文明的重要标志，给人类带来了光明和温暖、 智慧和财富，但却在失去控制的时候，会造成生命和财产的巨大损失。建筑火 灾多发性非常强，而钢结构由于不耐高温的缺点，发生火灾时，后果将更为严 重，因此对钢结构和钢构件抗火性能的研究对人类的生产和生活具有非常重要 的意义。 单轴对称的开口薄壁构件，如不等翼缘的工字钢、槽钢、角钢不同 于普通工字钢，在集中荷载作用下，具有整体分叉屈曲特性，即可能发生弯曲 屈曲或者弯曲扭转屈曲，从而导致构件因达到极限承载状态而失效。有学者曾 经对冷弯薄壁型钢的抗火性能进行了一些研究，然而，高温对冷弯

8、型钢的影响 与其对热轧钢的影响效应有所不同，而且，对于具有约束的普通工字型钢柱的 抗火承载力计算方法是否适用于具有分叉屈曲特性的热轧薄壁槽钢柱有待于进 一步探讨，且有必要寻找一种解析的方法或者半经验的公式来计算具有轴向约 束的热轧薄壁槽钢柱的理论抗火极限。 由于槽钢柱在真实结构中的边界条件 和在火灾中的结构响应更为复杂，温度与变形之间的关系也更加多样，而这种 复杂的条件下无论是抗火承载力还是结构的变形都很难得到理论的解析解，足 尺寸的试验方法虽然最能够反映确切的问题，但试验过程复杂、周期长且对人 力物力消耗巨大，因此，采用有限元的方法，从较为简单的边界条件出发，探 索适合用于槽钢结构抗火性能分

9、析的数值方法，可以为进一步的研究提供参考。基于前述背景，针对钢结构柱抗火性能研究中的不足，本文对热轧与冷弯薄 壁槽钢柱的抗火性能进行了理论分析、试验研究和有限元数值模拟，得到了一 些有重要参考价值的结论。 本文对热轧与冷弯两种薄壁槽钢柱的抗火性能进 行评估分析，研究其在高温状况下的屈曲特性，如弯曲、弯曲扭转屈曲，以及 特别针对冷弯薄壁槽钢柱的局部屈曲、畸变屈曲。基于著名的 Rankine 公式分 别提出适合热轧薄壁槽钢柱抗火设计的计算方法，考虑了轴向约束对柱子受热 膨胀的约束作用，并结合考虑整体分叉屈曲对槽钢柱抗火性能的影响，用迭代 的方式得到高温下槽钢柱的极限承载力，以及在某一设计荷载下的耐

10、火失效温 度。 本文亦对 4 种截面 11 个热轧薄壁槽钢柱试件分别进行了稳态与瞬态的 抗火试验研究，进一步观察其高温特性、变形模式，得到抗火极限承载力和失 效温度的试验值；试验结果用于验证理论计算方法和为有限元模型提供必要的 数据。 借助有限元软件 MSC.Marc.Mentat 对热轧薄壁槽钢柱进行数值模拟， 采用 Trahair 的初始缺陷公式进行有限元建模，数值计算结果与理论解、试验 值对比，误差较小，失效变形模式基本一致，验证了有限元方法可以较准确地 模拟槽钢柱的抗火特性，得到较准确的抗火极限估计值，同时证明了理论方法 的可靠性和合理性。采用有限元法和理论计算的方法对热轧薄壁槽钢柱的

11、长细 比、扭转刚度参数及截面的宽高比对其抗火性能的影响进行参数分析，得到了 各种参数对热轧薄壁槽钢柱抗火性能的影响规律。 针对冷弯薄壁槽钢柱，由 于其较大的截面厚实性系数，在火灾或高温情况下，各种屈曲形式相互作用使 得槽钢柱的抗火性能比普通钢构件的抗火性能差得多。本文从理论研究的方面， 采用 Hancock 和 Schafer 分别提出的弹性畸变屈曲临界应力计算公式，考虑局 部屈曲、畸变屈曲与整体屈曲同时发生情况，通过修正室温下的欧洲规范 EC3：Part1.3 与英国规范 BS5950：Part5 针对冷弯型钢受压构件的计算方法， 并考虑高温所导致的材性恶化，得到了计算冷弯薄壁型钢柱的抗火极

12、限计算公 式，对比曼彻斯特大学 YC Wang 等人的试验研究结果，四种方法均与试验结果吻合较好，通过进一步比较分析发现：采用 Hancock 提出的畸变屈曲临界力计 算公式修正欧洲规范 EC3：Part1.3，并考虑整体屈曲形式及钢材等级的影响， 进而得到的新的 Rankine 公式，因其与试验的误差绝对值最小，且结果偏安全， 所以是最为适合计算冷弯薄壁槽钢柱抗火极限的方法，推荐使用，并对我国钢 结构抗火设计提供参考。 火，作为人类从野蛮进化到文明的重要标志，给人类带来了光明和温暖、智慧 和财富，但却在失去控制的时候，会造成生命和财产的巨大损失。建筑火灾多 发性非常强，而钢结构由于不耐高温的

13、缺点，发生火灾时，后果将更为严重， 因此对钢结构和钢构件抗火性能的研究对人类的生产和生活具有非常重要的意 义。 单轴对称的开口薄壁构件，如不等翼缘的工字钢、槽钢、角钢不同于普 通工字钢，在集中荷载作用下，具有整体分叉屈曲特性，即可能发生弯曲屈曲 或者弯曲扭转屈曲，从而导致构件因达到极限承载状态而失效。有学者曾经对 冷弯薄壁型钢的抗火性能进行了一些研究，然而，高温对冷弯型钢的影响与其 对热轧钢的影响效应有所不同，而且，对于具有约束的普通工字型钢柱的抗火 承载力计算方法是否适用于具有分叉屈曲特性的热轧薄壁槽钢柱有待于进一步 探讨，且有必要寻找一种解析的方法或者半经验的公式来计算具有轴向约束的 热轧

14、薄壁槽钢柱的理论抗火极限。 由于槽钢柱在真实结构中的边界条件和在 火灾中的结构响应更为复杂，温度与变形之间的关系也更加多样，而这种复杂 的条件下无论是抗火承载力还是结构的变形都很难得到理论的解析解，足尺寸 的试验方法虽然最能够反映确切的问题，但试验过程复杂、周期长且对人力物 力消耗巨大，因此，采用有限元的方法，从较为简单的边界条件出发，探索适 合用于槽钢结构抗火性能分析的数值方法，可以为进一步的研究提供参考。 基于前述背景，针对钢结构柱抗火性能研究中的不足，本文对热轧与冷弯薄壁 槽钢柱的抗火性能进行了理论分析、试验研究和有限元数值模拟，得到了一些 有重要参考价值的结论。 本文对热轧与冷弯两种薄

15、壁槽钢柱的抗火性能进行 评估分析，研究其在高温状况下的屈曲特性，如弯曲、弯曲扭转屈曲，以及特 别针对冷弯薄壁槽钢柱的局部屈曲、畸变屈曲。基于著名的 Rankine 公式分别 提出适合热轧薄壁槽钢柱抗火设计的计算方法，考虑了轴向约束对柱子受热膨 胀的约束作用，并结合考虑整体分叉屈曲对槽钢柱抗火性能的影响，用迭代的 方式得到高温下槽钢柱的极限承载力，以及在某一设计荷载下的耐火失效温度。本文亦对 4 种截面 11 个热轧薄壁槽钢柱试件分别进行了稳态与瞬态的抗火 试验研究，进一步观察其高温特性、变形模式，得到抗火极限承载力和失效温 度的试验值；试验结果用于验证理论计算方法和为有限元模型提供必要的数据。

16、借助有限元软件 MSC.Marc.Mentat 对热轧薄壁槽钢柱进行数值模拟，采用 Trahair 的初始缺陷公式进行有限元建模，数值计算结果与理论解、试验值对 比，误差较小，失效变形模式基本一致，验证了有限元方法可以较准确地模拟 槽钢柱的抗火特性，得到较准确的抗火极限估计值，同时证明了理论方法的可 靠性和合理性。采用有限元法和理论计算的方法对热轧薄壁槽钢柱的长细比、 扭转刚度参数及截面的宽高比对其抗火性能的影响进行参数分析，得到了各种 参数对热轧薄壁槽钢柱抗火性能的影响规律。 针对冷弯薄壁槽钢柱，由于其 较大的截面厚实性系数，在火灾或高温情况下，各种屈曲形式相互作用使得槽 钢柱的抗火性能比普通钢构件的抗火性能差得多。本文从理论研究的方面，采 用 Hancock 和 Schafer 分别提出的弹性畸变屈曲临界应力计算公式，考虑局部 屈曲、畸变屈曲与整体屈曲同时发生情况，通过修正室温下的欧洲规范EC3：Part1.3 与英国规范 BS5950：Part5 针对冷弯型钢受压构件的计算方