基于損傷力學(xué)的結(jié)構(gòu)抗火能力研究.pdf

1、火災(zāi)給人類(lèi)帶來(lái)了極大的危害。建立科學(xué)的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法,避免因結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中破壞或倒塌所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,具有重要的意義?；馂?zāi)高溫下,結(jié)構(gòu)極易受到損害,材料的力學(xué)性能不斷劣化,因此在結(jié)構(gòu)抗火能力研究中應(yīng)考慮損傷累積的影響。損傷力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)損傷及破壞的有力手段,本文將損傷力學(xué)引入混凝土結(jié)構(gòu)的抗火能力計(jì)算中,提出了混凝土的高溫“剩余強(qiáng)度”熱損傷模型,計(jì)算了包含熱損傷的結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)。論文的具體內(nèi)容如下:
　　1.針對(duì)火災(zāi)高溫下材

2、料強(qiáng)度降低的特點(diǎn),建立了混凝土在高溫下的熱損傷模型—“剩余強(qiáng)度”損傷模型。只要得到材料的剩余強(qiáng)度隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果,就可以通過(guò)該模型建立起材料在高溫下的熱損傷演變方程。該方法簡(jiǎn)單可行,便于應(yīng)用。
　　2.對(duì)具有新內(nèi)涵的最小耗能原理在結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算相關(guān)理論中的應(yīng)用進(jìn)行了研究:(1)基于最小耗能原理,推導(dǎo)得到了無(wú)內(nèi)熱源情況下,適用于邊界溫度隨時(shí)間而變的、不穩(wěn)定過(guò)程中的任意瞬時(shí)的不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程。(2)根據(jù)最小耗能原理提出并證明了一個(gè)最

3、小功耗原理,以它為理論基礎(chǔ),給出了考慮損傷的有限元法的計(jì)算公式。
　　3.對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行了考慮損傷下的火災(zāi)反應(yīng)計(jì)算和分析:(1)應(yīng)用可以考慮邊界溫度變化的杜哈美爾定理推導(dǎo)得到了板、柱溫度場(chǎng)的理論解計(jì)算表達(dá)式,并應(yīng)用MATLAB編程計(jì)算了板的溫度場(chǎng),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。(2)根據(jù)熱力學(xué)、彈性力學(xué)、損傷力學(xué)理論,提出了基于損傷力學(xué)的結(jié)構(gòu)抗火分析理論。
　　4.對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),在問(wèn)題給定的初始條件及邊界條件下直接求解根據(jù)上述新

4、理論建立的方程組可得到結(jié)構(gòu)在高溫下的反應(yīng)結(jié)果。對(duì)于較復(fù)雜的構(gòu)件,本文建立了可將上述新理論用于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析方法,并選用可以考慮高溫的ANSYS軟件,采用熱分析和結(jié)構(gòu)分析直接耦合的熱分析法,利用ANSYS軟件中的單元生死技術(shù)來(lái)描述單元破壞,計(jì)算了混凝土板和柱構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和單元生死過(guò)程,得到了考慮損傷的混凝土板和柱的耐火極限。
　　綜上,①本文提出了混凝土在高溫下的熱損傷模型,為應(yīng)用損傷力學(xué)理論研究火災(zāi)中結(jié)

5、構(gòu)的抗火能力打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);②給出了最小功耗原理的有限元法計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程,得到了考慮高溫下熱損傷的有限元法,并實(shí)際用于結(jié)構(gòu)抗火能力的計(jì)算。這是本文的兩個(gè)創(chuàng)新之處。其中高溫?zé)釗p傷模型彌補(bǔ)了損傷力學(xué)中考慮高溫情況下?lián)p傷模型稀少的不足,完善了損傷力學(xué)理論;最小功耗原理的有限元法則由于對(duì)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系沒(méi)有限制,而具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
　　總之本文提出的基于損傷力學(xué)的結(jié)構(gòu)抗火分析理論為結(jié)構(gòu)抗火能力計(jì)算提供了新的方法。該方法在計(jì)算模