圆钢管结构抗火性能试验及理论研究

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随着国民经济的迅速发展,近年来,钢管结构在空间大跨结构和导管架海洋平台等钢结构中得到了广泛的应用。钢结构抗火研究成果中,国内外学者的研究主要集中在工字钢梁、工字钢柱、钢管混凝土等构件及其相关节点,然而对圆钢管结构及其节点在火灾作用下的力学性能研究却少见报道,深入研究圆钢管结构及其相贯节点在火灾作用下的力学性能非常必要。   本文在总结国内外钢结构抗火研究现状的基础上,采用抗火试验、有限元模拟、理论分析相结合的研究方法,进行了以下几方面的研究工作:   (1)进行了2个平面圆钢管桁架的抗火性能试验,得到了火灾作用下平面圆钢管桁架的破坏形态、温度分布以及桁架耐火极限温度随荷载比变化的规律。利用有限元软件ABAQUS建立了平面圆钢管桁架的有限元模型,并用试验结果验证了有限元模型的正确性。在此基础上,选择了三个对桁架受力性能影响较大的参数-直径比β、壁厚比τ径厚比)γ,对火灾作用下平面圆钢管桁架的极限承载力和不同荷载比下桁架的耐火极限温度进行了有限元参数分析,得到了高温下平面圆钢管桁架的极限承载力和耐火极限温度的变化规律。   (2)进行了3个圆钢管T形相贯节点的受力性能试验,其中,试件1(编号SP1)用于测量常温下的相贯节点的极限承载力,试件2(编号SP2)用于研究高温作用下节点的耐火极限温度,试件3(编号SP3)用于研究恒定温度作用下的节点极限承载力。通过试验,得到了火灾作用下T型相贯节点的破坏形态、温度分布以及耐火极限温度和极限承载力。利用有限元软件ABAQUS,采用壳单元S4R,建立了T形相贯节点的有限元模型,并用试验结果验证了有限元模型的正确性,为下一步的有限元参数分析打下了基础。   (3)在圆钢管T形相贯节点抗火性能试验以及有限元分析的基础上,研究了火灾作用下不同参数对T形相贯节点极限承载力的影响。根据现有规范中已有的常温下T形相贯节点的极限承载力公式,考虑了温度对极限承载力的影响,给出了火灾作用下T形相贯节点的极限承载力公式,并研究了不同荷载比对T形相贯节点耐火极限温度的影响,得出了T形相贯节点耐火极限温度随荷载比变化的规律。   (4)考虑了结构的几何非线性、高温下钢材的材料非线性以及沿圆钢管截面环向及厚度方向温度的不均匀分布等因素的影响,推导了高温下圆钢管截面空间梁单元的刚度矩阵、平均应变增量和温度荷载增量矩阵及相关理论公式,编制了可用于计算圆钢管结构在火灾作用下结构反应的有限元程序。经过算例验证,证明该程序可以计算圆钢管结构在火灾作用下的结构反应。   最后,对下一步研究工作的方向进行了简要讨论。
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