梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性研究（可编辑）.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性研究（可编辑）.精品文档.梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性研究 中国科学技术大学博士学位论文梁柱栓焊混合边节点火灾响应特性研究姓名:胡军申请学位级别:博士专业:安全技术及工程指导教师:廖光煊;姚斌20090901摘要摘 要作为钢结构建筑的重要组成部分,钢结构梁柱节点对于保持钢结构整体性能起到至关重要的作用。钢结构梁柱节点的耐火性能对于保证火灾中结构的完整性、延长建筑物的耐火时间、保护生命财产等有着非常重要的影响。系统地研究节点在不同火灾环境下的响应特性,是进行钢结构抗火设计、火灾安全评估的重要前提和基础。本文对结构

2、钢的高温力学性能进行了研究,在此基础上以钢结构建筑中广泛应用的栓焊混合边节点为研究对象,采用全尺寸火灾试验与有限元模拟相结合的方法,对其在火灾中的热响应特性、结构受力特点及破坏机理等进行了系统的研究,主要内容包括:.采用恒温加载的试验方法,对国内钢结构建筑中广泛采用结构钢高温力学性能进行试验研究,获得其在不同温度下的弹性模量、屈服强度、比例极限、极限应变,并基于试验数据建立了简化的应力一应变模型。.利用火灾科学国家重点实验室自行设计的热一力耦合模拟实验台,对栓焊混合边节点进行常温下的足尺恒温加载试验,获得所设计节点的弯矩一转角模型及其极限弯矩;对栓焊混合节点进行恒载升温火灾试验,获得不同工况下

3、节点的温度一转角关系,分析了梁端载荷及火灾温升模型对节点抗火性能的影响。试验结果表明,较慢的火灾升温速率将使节点温升变缓,温度场分布更均匀,有助于提高节点的耐火性能;在相同的火灾环境下,载荷比的降低可以提高节点的极限温度;火灾中节点的主要破坏形式为梁下翼缘发生局部屈曲,柱子发生明显扭曲。试验结果同时表明,火灾下栓焊节点梁翼缘和柱翼缘间的焊缝质量是影响节点抗火性能的主要因素,对于焊缝质量不合格的节点,焊缝处往往成为火灾下节点最易发生破坏的部位,从而导致节点提前失效。.针对所研究的栓焊混合节点,建立火灾下栓焊节点热一力耦合三维非线性有限元模型,并通过试验结果对模型进行验证。模型中所有组件均采用实体

4、单元,并考虑了材料非线性和几何非线性;采用接触单元对节点中所涉及接触问题进行模拟;螺栓预紧力则采用预紧单元进行模拟。考虑到温度场的变化将引起热应变,而结构应力变化对温度场分布没有太大的影响,火灾下节点所受的热一力耦合作用采用顺序热一力耦合分析方法来模拟,即首先进行节点温度场的分析,在随后所进行的结构分析中将节点温度作为体载荷施加在节点上。利用试验数据验证了该有限元模型用于对该节点抗火性能研究的有效性,并对节点失效机理进行了分析,结果表明柱腹板为节点最薄弱的环节。.通过对不同载荷下设计节点的火灾响应特性进行分析,建立了节点弯矩一摘要转角一温度模型。对影响节点的主要因素所开展的参数敏感性分析表明,

5、柱腹板和柱翼缘的厚度对节点抗火性能有显著影响,梁翼缘次之,连接端板厚度和梁腹板厚度对节点性能几无影响。基于参数分析所得数据,采用数理统计方法建立了节点耐火时间与主要影响参数问的关系。通过设定不同的火灾模式,研究了火灾发展过程对节点性能的影响作用。关键词:栓焊边节点力学性能抗火性能火灾试验有限元方法火灾,?. . ? 中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名: 签字日期:中国科学技术

6、大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入中国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密?年导师签名:作者签名:?签字日期:签字日期:第章绪论第章绪论引言钢结构具有强度高、重量轻、材质均匀、施工周期短、抗震、塑性好、工业化程度高等优点,被公认为绿色环保型产品,符合我们国家

7、现行可持续发展的战略要求。钢结构可用于大跨度、高耸、重载等工业与民用建筑中,如大跨度桥梁、展览馆、体育中心等。圉乌巢敛果翻钢结构的应用主要涉及三【下几方面:高层翎结构建筑、大跨度钢结构和轻型钢结构。根据相关资料显示.超高层建筑超过驯层的大都采用铜结构体系.其比例约占高层建筑的%。在金世界最高的幢建筑物中.全钢结构占幢,钢与混凝土混合结构有幢。这些超高层建筑的建成见证了钢结构技术在世界建筑业的发展历程。大跨度钢结构丰要用于多功能体育场谊、大型会展中心、候机楼、飞机库、展览馆及一些大的生产车问。国内比较有代表性的有国家大剧院、鸟巢等,其中鸟巢为北京奥运会的主体育场.工程占地面积公顷,建筑面积。主体

8、钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结万吨,最大跨度约米,可同时容纳约名构.铜结构总用钢量约为观众参观比赛。轻型钢结构因白身特点,主要可以用于工业厂房、住宅建设。据统计,日本和欧美国家的土木工程、民用住宅,钢结构的比例已达到%左右,而在我国%以上还是钢筋混凝土结构。目前,我国钢结构制造业年产量虽已达到万万吨,但只占全年钢产量的%左右,其中建筑钢结构约占%,远低于发达国家%的水平。近年来,随着我国经济特续快速的发展,城市化和工业化进程进一步加快,钢结构施工技术也日臻完善.为钢结构的发展提供了分广阔的前景。第章绪论与此同时,我国钢铁工业取得了突飞猛进的发展,从年我国钢产量突破亿吨起,

9、钢材产量一路飙升,到年钢产量已突破亿吨。与此同时,钢结构企业通过结构调整和技术改造使钢铁产品的品种及材质有了明显改善.钢结构已运用于国民经济摹本建设的各个领域。黔嘲图, “”世贸大厦火灾现场然而铜结构有个严重的缺陷,即钢材的耐火性能较差,普通钢材在时屈服强度下降至室温强度的一半,在时其强度基本全部丧失。因此,钢结构在火灾中很容易发生严重破坏甚至导致结构发生倒塌。国内外曾多次发生钢结构倒塌事故,如年重庆天原化工厂、年天律市体育馆、年唐山市棉纺织厂、年江油电厂俱乐部等火灾都引起了钢结构屋架的倒塌。目前为止.最具代表性的火灾导致钢结构倒塌的案例发生在美国。纽约世界贸易大厦双塔是美国的象征之一.年月日

10、,当地时间上午点分,北塔遭到波音飞机撞击,点分,南塔遭到波音飞机撞击。撞击后飞机泄露的大量燃油使大楼发生剧烈燃烧,北塔在小时分钟后倒塌.南塔在小时分钟后倒塌,两座大楼顿时成为一片废墟。造成约一千多人的死亡。世贸大厦采用的是筒中筒的全铡结构,美国随后组织大规模的调查研究,对世贸大厦进行评估、分析,得出结论之一是:飞机撞击对建筑结构造成的损伤并不足以使大厦倒塌,撞击后引发的太规模燃烧是世贸大厦倒塌的重要原因?,年月台湾层的东方科学院钢结构大楼发生火灾.顶部数层钢粱发生局部扭曲,楼层最大挠窿选以上,钢粱与钢柱连接处发生断裂破坏。大量的钢结构火灾倒塌事故为钢结构建筑防火安全敲响了警钟,同时也加剧了对钢

11、结构建筑防火安全进行系统研究的紧迫感。世纪晚期”,由于火灾引起的结构倒塌事故促使研究人员开始关注对建筑第章绪论构件高温特性的研究。最初的研究试图通过设计新的材料和方法使建筑构件在火灾中兔于达到其极限温度,从而提高其耐火性能。直到现在,采用防火涂料、耐火涂层仍是主要的建筑钢构件耐火方法。然后,由于防火涂料的使用使建筑结构的直接成本增加了%以上,同时,防火材料的施工会延长施工时间从而增加间接成本口,这将抵消钢结构建筑的许多优势。从工程的角度讲,使结构在无保护条件下具有足够的耐火性能设计要比现在通用的先进行正常的结构设计,再增加防火保护更合理。因此,近年来不同的独立构件或作为更完整结构一部分的构件在

12、火灾中的响应特性受到广泛关注,这将有力地推动新的工程分析和设计方法的发展。其中将考虑结构钢本身的耐火性能,从而降低防火保护的成本,缩短施工工期。对建筑钢结构在火灾中热一力耦合作用下响应特性进行系统研究,总结钢结构火灾反应规律,合理进行火灾安全设计,将使钢结构建筑具有适当的安全水平。在钢结构建筑中,梁柱节点被认为是框架结构中重要的连接部位,节点的特性对钢结构的安全性、可靠性、制作安装、经济指标和使用性能等均有很大的影响。节点性能不仅影响框架的内力分布、刚度、整体变形,而且能改变结构的自振周期;此外,节点的刚度还与结构及构件的稳定性有着密切联系。基于此,钢结构的抗火性能与节点抗火性能密切相关。节点

13、在火灾中的破坏可能会导致整个建筑的垮塌,使人民的生命财产遭受严重损失。全尺寸的火灾实验表明,复合钢框架建筑的节点由于担负着从结构高温区向低温区传递力的作用,对结构在火灾中的耐火时间起着非常重要的作用。对受损建筑的观察同时证实,通过载荷重新分布,火灾中梁柱节点可以显著影响建筑构件的耐火时间。与此同时,根据国外经验,钢结构节点部分的费用将占钢结构总费用的%,因此,钢结构连接节点在火灾中热一力耦合作用下的性能是钢结构抗火研究中非常重要的组成部分。.梁柱节点分类建筑用钢材强度高,具有较好的塑性和韧性,钢结构框架是多层和高层建筑常用的建筑结构形式之一。按照结构有无支撑体系,可分为支撑结构和无支撑结构。典

14、型的支撑结构是由承受重力荷载的框架和抗侧力体系两部分组成,无支撑结构则主要依靠梁柱节点的抗弯能力来抵抗侧向荷载,使用这种抗弯节点的钢框架称为抗弯钢框架 ,。由于抗弯钢框架具有安全可靠、加工方便和造价经济等优点,应用日趋广泛。分析研究结果表明,层以下的建筑采用抗弯钢框架作为抗侧力体系可以取得较好的经济效益陆。梁柱结合的部分被称为梁柱节点或梁柱连接,它在框架结构中起着举足轻重第章绪论的作用:在正常使用状态下,梁柱节点将梁与柱连成整体,使之成为结构,有效地承受重力、风载等外部荷载;在强烈地震作用下,梁端和节点域产生塑性变形,形成塑性铰,可以有效地吸收和耗散能量,使框架做到“大震不倒”;节点性能对框架

15、的整体行为的影响主要表现在两个方面:一是影响框架的变形、自振周期和地震反应;二是影响框架的内力分布。图 节点分类根据节点的刚度将节点划分为刚性节点、半刚性节点和柔性节点,如图.所示,其中:/。,只/。和幺分别为梁的塑性弯矩和塑性转角,此外,还区分了支撑框架和无支撑框架对节点性能的要求;根据节点的强度极限抵抗弯矩将节点划分为全部强度、部分强度和名义上的铰接。当节点的弯矩承载力大于与之相连梁的塑性弯矩.倍时,则不需检验节点的转动能力,这主要是因为塑性铰通常可以保证在梁端形成。刚性节点具有较高的抵抗弯矩的能力,梁柱之间没有相对转角,而且能显著减少梁的内力,从而减小梁截面,同时因其构造简单而广泛采用。

16、根据连接构造的不同,刚性节点又可分为翼缘连接和腹板连接,而翼缘连接按照构造形式可分为以下几种:全焊节点?梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连,梁腹板也焊在柱翼缘上。翼缘焊接节点?梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连,梁腹板采用高强螺栓与焊在柱翼缘的剪切板相连。翼缘连接节点?梁翼缘不直接与柱翼缘相连,而是焊接或用螺栓连接在一块事先焊在柱翼缘的钢板上,梁腹板可以是焊接或栓接。端板连接?梁翼缘和腹板都焊接在一块较厚的端板上,端板用螺栓与柱翼第章绪论缘相连。其中,梁翼缘焊接于柱翼缘,粱腹板栓接在柱翼缘上剪切板的连接节点称为栓焊节点,如图.所示。安装时,高强螺栓首先作为定位螺栓,待梁柱翼缘焊接好后,再拧紧高

17、强螺栓,这样既避免了全焊节点的立焊问题,又没有全螺栓连接节点的螺栓定位困难,使其成为钢框架中应用最广泛的节点形式之一。目?/一图.典型的栓焊节点带加劲肋:不带加劲肋.建筑防火火在人类进化和生产力发展进程中起着非常重要的作用,然而火一旦失去控制就会给人类生命财产造成巨大的损失。因此从人类意识到火灾的强大威力起,就开始不断寻求有效的方法来防止火灾的发生及其所引起的对人类生活的破坏。在任何建筑中都存在发生火灾的危险,而且完全防止火灾的发生几乎是不可能的,这一点已得到公认。据公安部网站公布的数据,仅年全国共发生火灾.万起,造成人死亡,人受伤,直接财产损失达亿元。火灾通常可分为森林火灾、建筑火灾、工业生

18、产设备火灾、交通工具火灾等。其中建筑火灾是最常见、最危险的火灾类型,它发生于各种建筑中,对建筑物内部的人员及生命财产安全造成极大的威胁。在所有火灾中建筑火灾占有相当大的比例,由此造成的人员伤亡、经济损失所占比例更大。建筑火灾发生时,除了会烧毁建筑内部的生产设备、生活用品及威胁生命安全外,规模较大的火灾还可能损坏建筑室内装饰、门窗,甚至导致建筑结构发生破坏。建筑火灾的安全目标主要包括以下两种阳:、减少人员死亡保证建筑物内居民及与着火建筑相邻建筑内居民的安全;、减少着火建筑及相邻建筑的财产损失。为了实现上述目标,必须进行火灾防范。根据:【,火灾防范第章绪论可以分为两大类:防火 ?就是指防止火灾的发

19、生,或者降低火灾蔓延的危险避免人员或财产受到损害。火灾防护? :对建筑内的系统、设备进行设计,通过火灾探测、灭火等降低对人员和财产的损害。包括主动保护和被动保护两种方式,前者为火灾探测及灭火的过程,后者则包括逃生手段及通过结构防火设计减小对结构的破坏。从建筑的角度讲,需要重点关注被动防火。在火灾发生时,建筑物必须维持一定时间的完整性,以便进行必需的人员疏散。目前对于钢结构进行防火保护最通用的做法是通过加设防火绝热材料,使钢构件在火灾中维持有限的温升,从而保持足够的强度。近年来有人基于对单独构件所进行的试验研究提出计算钢材固有耐火时间的设计方法脚。最近的全尺寸火灾试验结果表明,建筑整体的耐火性能

20、要远强于独立的构件。因此,需要对现有设计方法及结构形式进行优化以尽可能利用构件间的相互作用,提供更合理的设计方法。建筑火灾的发展为了研究建筑结构在火灾中的响应特性,首先需要理解火灾的形成及特点。火灾的发生需要满足燃烧所需的三要素,即点火源、燃料和氧气三者一起被称为燃烧三角。火灾是一种非常复杂的现象,受周围环境和燃料载荷的控制。建筑火灾通常可以简化为三个明显的阶段:初始增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。图.典型建筑火灾发展的温度一时间曲线第章绪论在初始增长阶段,部分可燃物开始燃烧并释放烟气和少量的热量。此时火灾对生命和财产所造成的危险并不高,火灾探测器、灭火器及水喷淋等主动灭火设施起着主要的防火

21、作用。此后随着火灾的发展,引起更多可燃物的燃烧,并生成更多的烟气,对生命和财产安全形成威胁。尽管此时会发生玻璃破碎的现象,但结构破坏的可能性还非常小。从局部火到充分发展的火灾通常会发生“轰燃,这是引燃阶段和稳态燃烧阶段的分界点。发生轰燃后室内大部分可燃物开始燃烧,烟气羽流到达天花板并开始向四周传播,使着火区表面温度不断升高。轰燃的发生将取决于室内的通风条件。如果通风条件差,会因氧气的缺少而无法发生轰燃。轰燃的温度取决于材料的燃烧性能。在稳态燃烧阶段,主动灭火装置对火灾的熄灭已无作用,此时建筑结构发生倒塌的危险非常大,除非有被动防火措施。在该阶段室内温度非常高,受房间几何尺寸、通风条件和火灾载荷

22、的共同作用,有时会达到以上。此后火灾将继续进行,直到可燃物燃烧殆尽,火灾进入衰减阶段。图.给出了真实火灾不同阶段的温度一时间曲线图。.标准火灾温升曲线如前所述,火灾的发生通常要经历初始发展期、旺盛期和衰减期三个阶段。但火灾温升曲线受多个因素的影响,如室内火载荷密度、材料燃烧性能及其分布;房间的构造、尺寸、形状及通风条件;室内表面的热物理性能等,所以要完全准确地预先描述火灾温度与延续时间的关系曲线是非常困难的。标准最早用于防火设计规范的火灾温升曲线为出版于年的时间温度曲线例。为了统一评价结构和构件的抗火性能,许多国家通过实际调查和对真实火灾过程的试验模拟,给出了火灾升温曲线的相应计算公式钟。年国

23、际标准化组织给出了标准温度一时间曲线同见图。:卜式中:丁?着火房间空气温度;?环境初始温度;卜一升温时间国内钢结构防火技术规范也将此公式作为一般室内火灾空气升温曲线对单层及多高层钢结构建筑进行抗火设计。标准火灾温升曲线为不同研究者提供了可以对比的共同标准,已经被成功地应用了好多年。然而通常认为该曲线只能代表有限条件下通风控制的火灾,有时与真实火灾的升温曲线差别较大。由于标准火灾温升曲线无法代表轰燃后充分燃烧的火灾的真实场景,基于该第章绪论曲线的结构设计虽然能够保证结构安全,但造成结构防火保护成本的大量增加,在某些情形下,基于标准火灾温升曲线的结构设计会导致结构热暴露时间的严重低估。为了更好地反

24、映真实火灾对结构的破坏程度,在已确定建筑物室内的有关参数及火灾载荷的情况下,脚、和:刀等规范也允许结构火灾设计时采用实际的火灾升温曲线。近年来,随着性能化设计.概念的提出,越来越多的学者提出并着手用更科学的能够代表建筑本身边界条件的自然火灾曲线代替标准火灾温升曲线,来进行结构防火设计朝。.欧洲规范参数火灾模型性能化防火设计概念的提出对火灾温升模型提出了新的要求,经过欧洲学者多年的努力,提出了一系列用于燃烧炉火灾试验的温升模型及参数火灾模型。对于一些纤维质燃料均匀分布的场所,最常用的自然设计火灾曲线为欧洲规范?们附录中给出的参数温度一时间曲线方程。该方程可以生成火灾载荷、通风开口、墙体内衬材料在

25、任何组合下的温度一时间曲线。欧洲规范参数火灾模型把火灾的发展过程分为两个阶段:加热阶段和衰竭阶段,其中加热阶段与相类似。该参数模型加热阶段的计算公式为:丁:?.丑一.一.?其中,?室内平均温度,;卜其中,?时间,;五,“;?围护边界密度,堙/;五?围护边界导热系数,昂?开口系数:%/,.,;?所有墙面垂直开口总面积,优;?所有墙面上窗户高度的加权平均值,;?围护总面积墙、天花、地板,包括开口,;欧洲规范参数火灾模型在降温段的温度一时间曲线为:丁瓦。一丁嗽一一;.丁乙一第章绪论式中乙为加热阶段;时的最高温度,且,;竺坐:堑,昼丌业铲?百一【、亍父而加热阶段的持续时间由下式给出:屯鼍竽上式中,为火

26、灾载荷,/。“曲线”温升模型司基于牛顿冷却定律的经验模型,对卡丁顿试验中获取的火灾升温曲线进行拟合,得到了称为“曲线的自然火灾温升模型。由于该曲线与卡丁顿试验数据非常吻合,.又对,等的试验数据进行同样的处理,得到同样令人信服的结果,从而提出了称为“曲线”的自然火灾曲线。“曲线的基本方程为:丁乙瓦戤?卜虮心其中,丁?彳壬意时刻的温度;?环境温度;?最高温度与环境温度的差值;,?火灾持续时间;?瓦烈发生的时间;.?温度.时间曲线的形状常数;如上式所示,“曲线的定义只需要三个参数:最高温度与环境温度的差值、最高温度发生的时间及曲线的形状常数疋,同时该曲线具有如下特点:首先,“曲线”为自然火灾曲线,因

27、为它比先前所知火灾模拟方法更接近实际火灾的结果;其次,曲线形状与高温分解系数/及开口系数%有极强的相关性;第三,与其它一些模型曲线相比,“曲线”不需要使用时间平移;最后,它采用一个简单的方程公式模拟建筑火灾的增长阶段和衰减阶段,而目前被广泛使用的欧洲规范参数化曲线需要两个方程。.钢构件抗火失效判据抗火极限状态火灾下,随着钢构件内部温度的不断升高,钢构件的承载力将逐步下降,当第章绪论其承载力下降到与热一力耦合作用产生的组合效应相等时,钢构件达到受火承载力极限状态。对于钢构件来说,承载力极限状态包括强度与稳定两个方面。在理论计算时,采用强度校核方法来确定构件的受火极限状态比较方便,然而,结构抗火试

28、验中所能观测的主要是构件内的温度分布、变形与受火时间的关系。和的研究表明,对于受弯构件和轴向受力构件,当其在火灾下的特征变形量或变形速率达到按下述各式确定的数值后,就将迅速发生破坏,该准则也称为.准则,目前为绝大多数抗火试验所采纳。受弯构件梁板堂上,万上;或万而 式中,万为构件的最大挠度,;,为构件计算跨度,;为构件截面高度,;为时间,。轴向受力构件丝日 卜班万 式中,万为构件的轴向压缩变形,;为构件的长度,。对于节点抗火试验来说,通常认为当其相对转角超过。或.时达到极限状态。.耐火时间与临界温度从火灾发生到结构构件达到抗火承载力极限状态的时间为结构构件的耐火时间,也称耐火极限。极限状态时构件

29、的温度称为临界温度,通常构件内各处的温度是不相同的,在这种情况下常用界面的平均温度或是用一个具有代表性的部位的温度作为临界温度。.梁柱节点抗火研究进展在使用钢结构建筑的初期,通常采用在钢结构构件外面覆盖隔热层的方法来增强钢结构的抗火能力,在钢结构设计中也采取常温下进行结构设计,再增加防火保护的方法。后来有学者提出更合理的做法应该把火灾看作跟风、地震相类似的外部载荷来对待;在钢结构抗火设计中应使结构能够在在没有保护的情况具有足够的耐火能力。在过去的年间,国内外学者就节点抗火性能曾经做过大量的研究工作。第章绪论其研究主要分为试验研究和理论研究,其中理论研究又包括简化的数学表达式、简化的分析模型和复

30、杂的有限元模型。国外研究进展试验研究国外对独立的钢结构节点进行的高温试验开展时间相对较晚,数据非常有限,一方面是因为火灾试验成本高,另一方面是受加热炉尺寸大小的限制。节点火灾试验的主要目标在于建立独立节点的弯矩温度一转角关系。首次针对节点所做的抗火实验由羽在年完成,研究人员以种不同类型的节点为试验对象,起初是为了研究高温下高强螺栓的性能,但由于在试验中其它构件先于螺栓失效,未能得到节点的相关性能。町于年对刚性抗弯节点进行了两次试验,有限的试验结果表明,火灾中节点将经历非常大的变形。伽首次对高温下梁柱节点所提供的结构连续性进行了测量,目的在于开发考虑节点所提供的转动约束时钢梁的设计方法。在对三种

31、类型的节点所进行的实验表明,这些节点在火灾中具有的显著的弯矩承载力常温时设计弯矩承载力的/,同时指出火灾中螺栓不易提前损坏。基于试验结果,提出了简支梁抗火设计中考虑通过节点传递的弯矩的简单规则。尽管试验所得到的数据非常有限,却提供了最早的用于节点模拟的基础数据。乜等以个小尺寸试件为试验对象,建立了齐平端板节点高温弯矩一转角关系。试验结果表明,节点刚度和弯矩承载力在?有显著的降低。.等进行了系列的高温节点性能试验,来研究构件尺寸、端板类型、厚度等对节点火灾性能的影响。节点类型包括齐平端板节点、柔性端板节点和柔性端板复合节点。试验采用恒载升温的方法,研究并给出了各种节点的弯矩一转角一温度曲线。年,

32、乜埘等报道了对钢结构节点受拉区和受压区在高温下的特性所进行的试验及得到的结果。在试验的基础上提出了受拉区和受压区的简化分析模型,并与试验结果进行了对比。所提出的型连接模型可以对以下三种模式的失效进行精确的预测:随着螺栓屈服并发生与腹板相邻的翼缘形成塑性铰、随着螺栓屈服并发生断裂与腹板和螺栓列相邻的翼缘形成塑性铰、螺栓屈服并断裂翼缘仍保持弹性。啮矧等对上述受压区的工作进行了发展,通过高温试验优化了这一区域的分析模型。第章绪论.模拟分析研究为了模拟常温下节点的特性,国外学者曾进行了大量的分析研究工作,然而火灾条件下所进行的研究非常有限。这是因为在模拟火灾中节点的特性时需要考虑大量的参数,这包括材料

33、高温特性模拟、模拟过程的复杂性,同时用于比较的试验数据也非常有限。关于节点火灾特性的模型包括简化的数学表达式曲线拟合、简化分析方法和复杂的有限元模型。由于节点由许多组件组成,节点的载荷响应特性非常复杂,其弯矩一转角关系为非线性,这特性可以采用不同复杂程度的关系式进行描述。在简化分析模型中,简单的数学表达式诸如双折线、三折线及多折线曲线拟合足以反映节点的特性。在有限元分析等复杂的分析中采用更精确的数学表达式。.乜力采用改进的.关系式首次提出了高温下节点弯矩一转角关系的数学表达式;.乜和.乜鲫则基于其火灾试验结果对上述关系式予以改进,并给出了半刚性节点的弯矩一转角特性。针对柔性端板节点具有的两段弯

34、矩转角特性梁翼缘与柱翼缘接触前后,提出采用两个单独的弯矩一转角关系式精确描述节点特性。汹首次采用三维有限元法对高温下节点的性能进行了研究,并开发了有限元模型对高温下不同节点的性能进行预测。采用八结点壳单元对梁、柱、端板等进行模拟,并考虑了火灾中材料非线性、非均匀热膨胀及大变形的影响。应力一应变一温度特性取自实验结果。啪采用软件对形节点及端板节点的高温特性进行了研究。分别采用了两种实体单元及预作用单元、接触单元对梁、柱、端板、螺栓进行模拟。门和.口等采用软件对端板节点进行模拟。.组件模型具有代表性的简化分析模型为基于组件的模型亦即弹簧一刚度模型,它把节点分解为已知力学特性的基本组件,再通过组合不

35、同组件的刚度得到节点的整体刚度,来表示节点的整体特性。九首次采用组件模型对高温下平齐端板节点的特性进行了研究,获得令人满意的结果。乜一进一步在节点受压区和受拉区发展了这一模型。口等针对未受保护平齐端板节点提出类似的模型。第章绪论.国内研究进展国内对钢结构抗火乃至钢结构节点火灾响应特性的研究起步更晚。同济大学的王卫永等对个型钢刚性节点进行了试验研究,给出了在标准升温曲线下试件温度变化的经验公式;通过有限元理论分析,得出了钢结构节点在火灾下的升温曲线,验证了用进行火灾分析的可靠性。青岛理工大学隋炳强门鄙对半刚性端板连接和刚性全焊连接中节点进行了试验研究和非线性有限元分析,指出节点构造特性、焊接质量

36、等对节点抗火极限温度、破坏模式、延性及转动刚度等的影响作用。同济大学的殷颖智对高强螺栓受拉和受剪连接形式的抗火性能进行了研究,得到了屈服强度、极限强度、弹性模量、延伸率和热膨胀系数的性能指标,并拟合得到了这些指标随温度变化规律的数学模型,为进行高强螺栓连接抗火分析提供了基础数据和计算模型;通过建立火灾升温条件下高强螺栓连接非线性有限元模型,编制了钢结构高强螺栓受拉和受剪连接抗火有限元分析程序,获得了钢结构高强螺栓受拉与受剪连接框或临界温度的简化计算公式。天津理工大学的王新武等建立了短型钢连接的三维有限元模型,并考虑了螺栓预紧力对结构性能的影响。西安建筑科技大学李晓东啪对不同节点形式在火灾中的性

37、能进行了试验研究,指出火灾下节点破坏的宏观现象和节点位置、节点连接方式、是否带加劲肋有关;加劲肋的存在提高了端板连接边、中节点的极限温度;连接方式、端板厚度对钢节点的抗火性能没有显著的影响。国内同济大学和啪对十字型节点在火灾温升曲线下的特性进行了试验研究,所得到的温度分布及结构响应特性验证了有限元模型的有效性。目前研究的不足尽管国内外学者已经针对不同形式的钢结构节点开展了大量的研究工作,针对不同形式的节点,提出了各种研究分析方法,并初步取得了一定的成果,但仍有许多问题未涉及或虽有研究但仍有许多不足之处,有待于进一步完善:.由于受试验成本及加热炉体积的限制,对钢结构节点的全尺寸火灾试验研究仍非常

38、有限,且已有研究多集中在半刚性节点;.对于钢结构建筑中广泛采用的栓焊混合节点的研究较少,已有针对栓焊混合节点的研究侧重于连接形式和有限的节点几何尺寸的分析;.已有研究仅限于节点在单一载荷及标准火灾下的响应特性,与实际节点承受载荷及火灾模式的多样性不匹配;.由于受高温测试手段的制约,无法通过试验手段获得节点关键部位在热一力耦合作用下的应力分布及应变特性,.无法获得其内部的作用机理;第章绪论.节点不同部件的几何构造对节点性能的影响有待通过基于数值模拟的参数研究法进行深入的研究;.在进行有限元分析时,需要用到高温下结构钢的应力一应变模型及相关力学参数,而国内尚未针对国产结构钢高温材料特性进行系统的研

39、究,有必要积极开展工作,获得相关参数。.本文的研究工作研究内容针对钢结构栓焊混合节点火灾响应特性的研究现状,确定本文的主要研究内容为:.结构钢高温力学性能补充试验研究,采用恒温加载的试验方法,对组试件进行试验,获得其在不同温度下的弹性模量、屈服强度、比例极限、极限应变,并基于试验数据建立简化的应力一应变模型。.通过全尺寸试验,对组栓焊混合边节点进行常温加载试验,获得其弯矩一转角关系;对另外组栓焊混合边节点进行恒载升温试验,获得不同工况下节点的温度一转角模型,分析梁端弯矩及温升模式对节点抗火性能的影响。同时获得节点关键部位温升曲线,研究火灾模型对节点区域温升特性及温度分布的影响。.针对所研究的栓

40、焊混合节点,建立有限元模型,对上述试验进行模拟,并通过试验结果对模型进行验证,获得有效的分析模型。.基于所验证的模型,分析火灾时节点的破坏机理,建立所研究节点的弯矩一转角一温度模型,建立火灾中节点极限温度随不同参数变化的响应模型。通过改变火灾温升速率,分析火灾发展过程对节点抗火性能的影响。.研究思路和目标研究思路采用试验手段获得所研究结构钢高温力学性能、不同工况下节点关键部位温升模型、节点响应特性,在此基础上,采用有限元法建立节点火灾响应模型,进一步开展参数研究。第章绪论图.研究思路示意图图.给出了论文总体研究示意图,研究思路如下:.结构钢高温力学性能试验研究。建筑结构钢高温力学性能对钢结构节

41、点火灾响应特性有决定性的影响,通过试验获得建筑结构钢精确的高温力学性能,建立简化的高温应力一应变模型,为有限元分析及钢结构防火设计提供有效的基础数据。.利用热一力耦合模拟实验平台模拟不同热一力环境,开展全尺寸钢结构栓焊混合边节点火灾响应特性研究,建立不同火灾环境下节点关键部位温升模型;考察温升速率、载荷比等对节点抗火性能的影响,分析不同环境下节点的温度一转角关系。.对火灾下钢结构栓焊混合边节点关键部位的温升响应进行数值模拟,结果用于热一力耦合作用下节点火灾响应特性的模拟研究:结合高温下钢材的力学模型、载荷特点及边界约束条件,对热一力耦合作用下节点响应特性进行模拟,建立节点的温度一转角模型,并用

42、前期的试验结果进行验证。.应用所建立的模型分析载荷比对节点性能的影响,建立节点的弯矩一转角一温度模型;通过分析梁、柱、端板等组件几何参数对节点耐火时间的影响,建立节点耐火时间随载荷比及组件主要几何参数变化的响应模型;通过改变火灾温升速率,研究火灾发展过程对节点火灾响应特性的影响。.研究目标.完善国产结构钢高温力学特性模型。.建立钢结构梁柱栓焊混合边节点在火灾下的全过程非线性反应分析方法,对节点在火灾中的响应特性、失效机理等进行研究。.在全尺寸试验的基础上,通过有限元模拟建立节点的弯矩一转角一温度模型。.通过参数分析,建立节点极限温度随载荷比、组件主要几何参数变化的响第章绪论应模型。.章节安排根

43、据研究内容和研究方法,论文的章节安排如下:第章是绪论部分,主要介绍本文的研究背景、国内外研究现状及本文的研究思路和目标。第章简要介绍钢材的基础知识,高温对钢材性能的影响。第章对高温下国产结构钢力学性能响应模型进行了完善,并与国外设计规范进行比较。第章对不同热一力环境下钢结构栓焊混合边节点响应特性进行试验模拟。试验共分组,其中组为常温试验;另外组分别模拟不同载荷比和火灾温升模型下形成的火灾模式。主要分析火灾温升特性及载荷比对节点关键部分温升、结构响应特性的影响。第章基于通用有限元分析程序建立所研究节点的三维非线性有限元分析模型,采用顺序耦合分析的方法分析节点火灾响应特性,并用试验数据予以验证,并

44、利用分析结果对不同类型节点的失效机理进行分析。第章将以前文所建立的有限元模型为基础,开展参数分析,通过改变载荷比建立节点弯矩一转角一温度模型;通过进一步改变各组件的几何参数,分析其对节点性能的影响作用,建立节点极限温度随载荷比、几何参数变化的关系模型。第章是本文的主要研究结论和下一步工作的展望。第章结构钢高温材料特性第章结构钢高温材料特性高温下结构钢的热工性能在对钢结构节点火灾响应特性进行分析研究时,需要知道不同温度下钢材的密度、导热系数、比热容、热膨胀系数等热工性能参数。钢的密度钢的密度随温度的变化很小,通常可以取常数:岛/。.钢的导热系数导热系数是指单位时间内单位温度梯度下通过单位面积的热

45、量。作为热的良导体,钢的导热系数比较大,若发生火灾,在无防火保护的情况下,钢构件的温度会迅速升高,并能向相邻构件快速传导,从而引起相邻构件温度的升高。总体而言,钢的导热系数随温度的升高而降低,以下为各国规范给出的钢的导热系数:英国规范采用常数,即:矗./?欧洲规范随给出导热系数的精确值为:以.屯矿/坍?。以. ?。 。欧洲规范随推荐的导热系数为:五日本建筑物综合防火设计规范啪采用的导热系数为:五.屯上海建筑钢结构防火技术规程/?“妇采用的导热系数为:.以以上各式中,贮?钢的温度,.钢的比热容比热容是指单位质量的物质升高或降低单位温度所吸收或释放的热量。钢的比热容较小,且随温度的变化比较大。当温度为左右时,钢材的内部颗粒成分与结构发生变化,比热迅速增大,随后内部颗粒成分与结构稳定后,又迅速回落。日本建筑物综合防火设计规范给出的结构钢比热容为:第章结构钢高温材料特性.一巧/?欧洲规范阳给出的结构钢比热容的精确值为:.一.。霉/? 。一罴/旧一器/旧/堙。欧洲规范嘲给出的结构钢比热容的推荐值为:/堙?和给出的推荐值为: /堙?足和英国规范给出的精确值为:瓦。乎/堙?.钢的热