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受火作用铝合金梁的有限元分析

王跃兴  
【摘要】:铝合金结构以其独特的优点越来越多的应用在在建筑工程中的各个领域,但其抗火能力很差也是值得我们关注的问题。高温下铝合金材料的力学性能与常温下有很大的不同,主要表现在随着温度的升高,铝合金的强度和刚度显著地下降,在温度为550℃时,其屈服强度和弹性模量便降低为零。火灾下铝合金结构可能会发生严重的破坏,甚至可能会导致整个结构倒塌的严重后果。因此,铝合金结构抗火受到越来越多的关注。 众所周知,在火灾下,处于整个结构体系中的梁与单独的简支梁其行为发展过程有很大的不同。由于将整个结构体系或者周围的结构构件与梁作为一个整体一起分析过于复杂,因此可将周围结构构件的约束作用用端部极端约束来替换。总结目前国内外的研究现状发现,关于铝合金梁的研究仅仅是在常温下,在火灾下关于铝合金梁的研究文献甚少,且对几种不同极端约束下的铝合金梁的行为进行分析,还没有关于这方面的总结和研究报道。简支、铰支、固支作为工程上铝合金梁所处的几种极端情况,研究铝合金梁在这几种约束下的行为发展,进行总结比较,具有十分重要的研究意义,并且能为以后约束铝合金梁的抗火研究提供十分重要的理论参考。 本文基于有限元软件ANSYS,对几种不同极端边界约束下的受火铝合金梁进行数值模拟,总结比较了火灾下铝合金梁在这几种极端边界约束下的行为发展过程,并讨论了在不同判别准则下的临界温度与极限温度,又进一步分析了载荷比、跨度和载荷类型等参数对铝合金梁在火灾下的行为发展规律和临界温度的影响。 通过上面的分析研究表明:在不同的极端约束边界下,铝合金梁的跨中变形形态发展过程完全不同,在铝合金梁不存在轴力时,随着温度的升高其跨中变形在某一温度突然增大,在铝合金梁存在轴力时,其跨中变形随着温度缓慢的增大,说明轴向约束对铝合金梁的变形及内力发展具有较大的影响。在几种判别准则下所确定的铝合金梁的临界温度和极限温度各不相同,当充分考虑了铝合金结构的拉力时,所得到的临界温度与极限温度最高,再此准则下结构的抗火能力最强。 本文还通过有限元数值模拟,对铝合金简支梁进行了常温和火灾下的弯扭屈曲分析,分析了载荷比、载荷类型和几何缺陷对其弯扭屈曲临界载荷和临界温度的影响。通过分析表明几何缺陷对临界温度的影响较小,载荷比对临界温度的影响较大,其跨中变形和转角随着温度的增大缓慢增大,在某一温度时突然增大。


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