钢框架结构火灾反应分析及其模拟系统

【摘要】： 钢结构以其突出的优点在建筑领域中得到迅速发展,随着其应用范围的逐渐扩大,钢材不耐火的缺陷也越来越受到人们的关注。20世纪80年代以来,国内外学者围绕钢结构抗火性能这一课题开展了一系列工作,但多数是针对钢构件在升温路径的研究。实际上,钢结构整体的抗火性能与单个构件相比有很大区别,而且钢结构在火灾过程中会受到升温、降温、加载、卸载不同组合的交替作用,基于单一路径的构件研究不能精确反应钢结构在火灾中的实际性能,有必要探索结构整体在多路径条件下的性能。 基于以上原因,本文以钢结构整体为研究对象,对其在不同温度-荷载条件下的性能反应进行了系统研究,具体工作和相应结论主要有以下几个方面: (1)针对我国建筑结构常用钢材Q235进行了高温性能试验。 以往的高温材性试验一般都是稳态试验或者瞬态试验,获得材料在某一温度状态下的应力-应变关系,以及初始弹性模量、屈服强度、极限强度等力学性能指标随温度的变化规律,这些试验获得的材料高温力学性能只与温度状态有关。本文试验设置不同的温度-荷载路径,分别得到不同路径下材料的应力-应变-温度连续函数型本构关系,探索了温度-荷载历史对钢材高温力学性能的影响。 (2)基于纤维梁单元推导单元刚度矩阵。 应用本文得出的钢材连续函数型本构关系,采用纤维梁单元,通过虚功原理推导出适用于钢框架结构高温分析的刚度方程。推导过程中,考虑了材料非线性和几何非线性的影响,并结合纤维梁单元的特点,通过进一步运算,给出了单元刚度矩阵的显式表达。同时还推导出微元平均应变增量以及温度荷载等物理量的显式表达,为后续的钢结构抗火分析软件编制奠定基础。 (3)推导不同截面形式单元刚度矩阵 纤维梁单元的应用,可以解决温度沿构件截面高度不均匀分布的计算问题。在此基础上,本文还推导了其他截面形式的刚度矩阵,使得温度在截面高度和宽度两个方向不均匀分布的条件下,以及构件截面为圆形(环形、扇形)的条件下都可以计算。 (4)编制了钢结构抗火性能的有限元分析软件。 在理论分析的基础上,编制了钢结构抗火性能分析程序。该程序可以同时输入多种温度-荷载路径下的本构模型,在计算过程中,由程序的路径识别模块判断出当前所处的路径状态,再据此自动选择相应的材料模型进行计算。火灾过程中至少包含一次升温、降温过程,并且高温引起的应力重分布有可能造成加载、卸载的反复,不同路径间计算的自动转化,保证了程序计算的连续性,实现了钢结构在火灾高温下反应的动态跟踪。通过本文计算结果与试验数据、ANSYS计算结果的对比,验证了本文程序的正确性,并通过几个算例介绍了该程序在实际钢结构防火设计中的应用。