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(cái)富，但卻在失去控制的時(shí)候，會(huì)造成生命和財(cái)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(shí)，后果將更為嚴(yán)重，因此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件抗火性能的研究對(duì)人類的生產(chǎn)和生活具有非常重要的意義。 單軸對(duì)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(duì)冷彎薄壁型鋼的抗火性能進(jìn)行了一些研究，然而，高溫對(duì)冷彎型鋼的影響與其對(duì)熱軋鋼的影響效應(yīng)有所不同，而且，對(duì)于具有約束的普通工字型鋼柱的抗火承載力計(jì)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(jì)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(wú)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(zhǎng)且對(duì)人力物力消耗巨大，因此，采用有限元的方法，從較為簡(jiǎn)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱抗火性能研究中的不足，本文對(duì)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(jià)值的結(jié)論。 本文對(duì)熱軋與冷彎兩種薄壁槽鋼柱的抗火性能進(jìn)行評(píng)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(duì)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(jì)的計(jì)算方法，考慮了軸向約束對(duì)柱子受熱膨脹的約束作用，并結(jié)合考慮整體分叉屈曲對(duì)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(jì)荷載下的耐火失效溫度。 本文亦對(duì)4

5、種截面11個(gè)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(jì)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(duì)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(jì)算結(jié)果與理論解、試驗(yàn)值對(duì)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(jì)值，同時(shí)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(jì)算的方法對(duì)熱軋薄壁槽鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比、扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)及截面的寬高比對(duì)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(duì)熱軋薄壁槽鋼柱抗火性能的影響規(guī)律。 針對(duì)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(jì)算公式，考慮局部屈曲、畸變屈曲與整體屈曲同時(shí)發(fā)生情況，通過修正室溫下的歐洲規(guī)范EC3：Part1.3與英國(guó)規(guī)范BS5950：Part5針對(duì)冷彎型鋼受壓構(gòu)件的計(jì)算方法，并考慮高溫所導(dǎo)致的材性惡化，得到了計(jì)算冷彎薄壁型鋼柱的抗火極限計(jì)算公式，對(duì)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(jì)算公式修正歐洲規(guī)范EC3：Part