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火灾条件下钢框架结构温度场与力学性能分析

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第一章 绪论

1.1 选题背景、目的及意义

1.2 国内外的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 材料的热物理特性和力学特性

2.1 引言

2.2 高温下钢材的热物理特性

2.3 高温下钢材的力学性能

第三章 传热学的基本原理

3.1 传热学基本概念

3.2 热量传递的基本方式

3.3 热力学第一定律

3.4 室内火灾的典型升温曲线

第四章 火灾下平面钢框架结构温度场与力学性能分析

4.1 引言

4.2 数值模型验证

4.3 平面钢框架结构受火全过程数值模型的建立

4.4 平面钢框架结构受火全过程力学性能分析

4.5 参数分析

4.6 本章小结

第五章 火灾下空间钢框架结构温度场与力学性能分析

5.1 引言

5.2 空间钢框架结构受火全过程模型的建立

5.3 空间钢框架结构受火全过程力学性能分析

5.4 参数分析

5.5 平面与空间对比

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间所取得的科研相关成果

致谢

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摘要

钢材具有强度高、重量轻、塑性和韧性好等特点,它适用于各种高层和大跨结构。随着钢结构建筑的发展,钢框架结构的抗火性能研究也倍受关注。但由于试验费用的昂贵和试验设备的限制,国内外的学者专家把目光转向了数值模拟,并对此进行了长达三十余年的探索和研究,提出了许多宝贵的设计思路和分析方法。
  我国对钢框架结构抗火防火性能研究的较晚,得到了一些具有指导价值的设计理论,其中《建筑钢结构防火技术规范》应用的较普遍。它采用固定统一的基于构件耐火极限要求的抗火设计方法,该方法虽然简单、直观,但过于保守,使得用钢量增大,成本增加,通过实践发现其实用性不强。
  目前,数值方法能够比较完整的模拟火灾下钢框架结构的反应。对比国内外的数值模拟方法发现︰采用有限元软件进行建模时,通常采用的编写程序方法太过繁琐,容易出现不易查询的错误,从而导致计算不收敛。针对以上的问题,本文采用CERIG自动建立约束方程,该方法不仅可以真实模拟3D实体单元与3D梁单元之间的刚接,而且可以有效的减少出错的机率,大大提高了运算的速度和准确性。
  本文采用上述方法进行了如下的研究:
  1.总结归纳了各国对高温下钢材的热膨胀系数、热传导系数、比热容、密度等物理参数以及屈服强度、弹性模量、钢材的本构关系、泊松比等力学参数的规定,根据本文涉及的钢框架结构本身的实际情况,选取了较合适和理想的参数取值。
  2.首先,利用大型有限元软件ANSYS建立平面钢框架结构受火模型和静力结构整体模型,选取标准升温曲线ISO834施加结构环境温度,根据已选取的各物理参数,模拟钢框架结构典型火灾场景,从而计算得到构件内部的温度场;随后,根据结构的实际静力荷载和自重,利用ANSYS程序计算钢框架的结构场;然后,把温度场导入结构场,进行耦合计算,并分析得到钢框架结构力学响应、耐火时间和耐火温度;最后,研究了火灾场景、钢材强度、荷载组合等因素对钢框架结构在受火全过程中的变形和内力性能的影响。
  3.在对一榀钢框架平面结构分析的基础之上,采用有限元软件ANSYS建立空间钢框架结构计算模型,对典型火灾场景下的结构整体力学响应进行分析,对比了平面和空间结构的变形和内力,得到空间结构的耐火时间和耐火温度。

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