薄壁槽鋼柱的抗火性能研究.pdf

1、火，作為人類從野蠻進(jìn)化到文明的重要標(biāo)志，給人類帶來了光明和溫暖、智慧和財富，但卻在失去控制的時候，會造成生命和財產(chǎn)的巨大損失。建筑火災(zāi)多發(fā)性非常強(qiáng)，而鋼結(jié)構(gòu)由于不耐高溫的缺點(diǎn)，發(fā)生火災(zāi)時，后果將更為嚴(yán)重，因此對鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件抗火性能的研究對人類的生產(chǎn)和生活具有非常重要的意義。 單軸對稱的開口薄壁構(gòu)件，如不等翼緣的工字鋼、槽鋼、角鋼不同于普通工字鋼，在集中荷載作用下，具有整體分叉屈曲特性，即可能發(fā)生彎曲屈曲或者彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲，從而導(dǎo)

2、致構(gòu)件因達(dá)到極限承載狀態(tài)而失效。有學(xué)者曾經(jīng)對冷彎薄壁型鋼的抗火性能進(jìn)行了一些研究，然而，高溫對冷彎型鋼的影響與其對熱軋鋼的影響效應(yīng)有所不同，而且，對于具有約束的普通工字型鋼柱的抗火承載力計算方法是否適用于具有分叉屈曲特性的熱軋薄壁槽鋼柱有待于進(jìn)一步探討，且有必要尋找一種解析的方法或者半經(jīng)驗(yàn)的公式來計算具有軸向約束的熱軋薄壁槽鋼柱的理論抗火極限。 由于槽鋼柱在真實(shí)結(jié)構(gòu)中的邊界條件和在火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)更為復(fù)雜，溫度與變形之間的關(guān)系也

3、更加多樣，而這種復(fù)雜的條件下無論是抗火承載力還是結(jié)構(gòu)的變形都很難得到理論的解析解，足尺寸的試驗(yàn)方法雖然最能夠反映確切的問題，但試驗(yàn)過程復(fù)雜、周期長且對人力物力消耗巨大，因此，采用有限元的方法，從較為簡單的邊界條件出發(fā)，探索適合用于槽鋼結(jié)構(gòu)抗火性能分析的數(shù)值方法，可以為進(jìn)一步的研究提供參考。 基于前述背景，針對鋼結(jié)構(gòu)柱抗火性能研究中的不足，本文對熱軋與冷彎薄壁槽鋼柱的抗火性能進(jìn)行了理論分析、試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值模擬，得到了一些有重

4、要參考價值的結(jié)論。 本文對熱軋與冷彎兩種薄壁槽鋼柱的抗火性能進(jìn)行評估分析，研究其在高溫狀況下的屈曲特性，如彎曲、彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲，以及特別針對冷彎薄壁槽鋼柱的局部屈曲、畸變屈曲。基于著名的Rankine公式分別提出適合熱軋薄壁槽鋼柱抗火設(shè)計的計算方法，考慮了軸向約束對柱子受熱膨脹的約束作用，并結(jié)合考慮整體分叉屈曲對槽鋼柱抗火性能的影響，用迭代的方式得到高溫下槽鋼柱的極限承載力，以及在某一設(shè)計荷載下的耐火失效溫度。 本文亦對4

5、種截面11個熱軋薄壁槽鋼柱試件分別進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的抗火試驗(yàn)研究，進(jìn)一步觀察其高溫特性、變形模式，得到抗火極限承載力和失效溫度的試驗(yàn)值；試驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證理論計算方法和為有限元模型提供必要的數(shù)據(jù)。 借助有限元軟件MSC.Marc.Mentat對熱軋薄壁槽鋼柱進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Trahair的初始缺陷公式進(jìn)行有限元建模，數(shù)值計算結(jié)果與理論解、試驗(yàn)值對比，誤差較小，失效變形模式基本一致，驗(yàn)證了有限元方法可以較準(zhǔn)確地模擬槽鋼柱的抗火特性

6、，得到較準(zhǔn)確的抗火極限估計值，同時證明了理論方法的可靠性和合理性。采用有限元法和理論計算的方法對熱軋薄壁槽鋼柱的長細(xì)比、扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)及截面的寬高比對其抗火性能的影響進(jìn)行參數(shù)分析，得到了各種參數(shù)對熱軋薄壁槽鋼柱抗火性能的影響規(guī)律。 針對冷彎薄壁槽鋼柱，由于其較大的截面厚實(shí)性系數(shù)，在火災(zāi)或高溫情況下，各種屈曲形式相互作用使得槽鋼柱的抗火性能比普通鋼構(gòu)件的抗火性能差得多。本文從理論研究的方面，采用Hancock和Schafer分別提出

7、的彈性畸變屈曲臨界應(yīng)力計算公式，考慮局部屈曲、畸變屈曲與整體屈曲同時發(fā)生情況，通過修正室溫下的歐洲規(guī)范EC3：Part1.3與英國規(guī)范BS5950：Part5針對冷彎型鋼受壓構(gòu)件的計算方法，并考慮高溫所導(dǎo)致的材性惡化，得到了計算冷彎薄壁型鋼柱的抗火極限計算公式，對比曼徹斯特大學(xué)YC Wang等人的試驗(yàn)研究結(jié)果，四種方法均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，通過進(jìn)一步比較分析發(fā)現(xiàn)：采用Hancock提出的畸變屈曲臨界力計算公式修正歐洲規(guī)范EC3：Part