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钢结构以独特的优点在建筑工程领域得到广泛应用,但其耐火性差的特性也非常突出。高温下钢梁的力学性能与常温下完全不同,主要是钢材强度和刚度的显著下降。火灾下钢结构可能发生严重的破坏,甚至出现整体倒塌的后果。因此,钢结构抗火受到越来越多的关注。
众所周知,处于结构体系中的梁与单独的简支梁在火灾中的行为有很大不同,但将整体结构或周围结构与梁一起分析则过于复杂,因此可将周围结构的约束作用用边界约束替换。总结国内外的资料,许多文献中是对具有不同轴向、转角约束刚度或只对一种极端约束的受火钢梁进行的分析,但对几种不同极端约束下的钢梁的行为比较分析,并没有进行相关的总结和研究报道。简支、铰支、固支等约束作为梁端约束的极端情况,钢梁在这种约束下的行为发展,仍具有研究意义,并为约束钢梁抗火提供一定的理论参考。本文主要进行了以下几个方面的工作:
(1)基于非线性有限元,对几种不同极端边界约束下的受火钢梁进行数值模拟。比较了几种典型极端边界约束钢梁的火灾行为发展过程,并分析了载荷比、跨度、载荷类型等参数对钢梁火灾行为的影响。通过以上研究,可以得到:不同极端边界下,梁的变形形态各不相同,轴向约束和转动约束对结构的变形及内力发展具有较大的影响。
(2)在已有判别临界温度准则的基础上,建议了几种新的判别准则,讨论了不同准则下的临界温度与极限温度,分析了以上几种参数对临界温度与极限温度的影响,可知,几种判别准则确定的临界温度和极限温度各不相同,当充分利用了高温后期的悬链线效应对结构抗火的有利作用时,由准则4确定的构件极限温度最高。
(3)本文还通过数值模拟,对受火侵袭两端完全约束钢梁实例进行了分析,得到了应用不同的热膨胀变形公式和材料强度、刚度折减系数下的位移响应结果,讨论了这些参数对临界温度的影响。将所得有限元数据结果与有限差分数据结果进行对比,可知两种方法下的数据结果非常接近,验证了此两种方法的有效性。