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高温下一次超静定钢梁的弹塑性分析

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究的工程背景、目的和意义

1.2 钢结构抗火设计方法

1.2.1 传统结构抗火设计方法

1.2.2 结构性能化抗火设计方法

1.3 高温下钢梁构件抗火性能的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 高温下钢构件的升温过程和钢材的材料特性

2.1 火灾标准升温曲线

2.2 传热学基本原理

2.2.1 钢构件内部的热传导

2.2.2 热空气与构件间的热辐射

2.2.3 热空气与构件间的热对流

2.3 高温下钢构件升温计算方法

2.4 高温下钢材的热工性能

2.4.1 热膨胀系数αs

2.4.2 导热系数λs

2.4.3 比热容Cs

2.4.4 密度ρs

2.5 高温下钢材的力学性能

2.5.1 钢材的屈服强度

2.5.2 钢材的弹性模量

2.5.3 钢材的应力—变关系

2.6 本章小结

第3章 高温下一次超静定钢梁的理论分析

3.1 钢构件抗火计算基本假定

3.2 高温下钢构件内力计算

3.2.1 高温下外载荷作用产生的钢构件结构内力计算

3.2.2 高温下结构构件温度内力计算

3.3 高温下一次超静定钢梁的内力和变形分析

3.3.1 弹性阶段

3.3.2 固支端附近塑性变形区扩展阶段

3.3.3 固支端保持为塑性铰而附近塑性变形区卸载阶段

3.3.4 固支端保持为塑性铰而梁中部产生塑性变形直至形成第二个塑性铰阶段

3.4 本章小结

第4章 高温下一次超静定钢梁内力变形计算

4.1 工字型截面钢梁不同阶段、不同温度下内力变形计算

4.1.1 相关参数计算

4.1.2 不同温度下工字型钢梁极限均布荷载、跨中允许极限挠度计算

4.2 箱形截面钢梁不同阶段、不同温度下内力变形计算

4.2.1 相关参数计算

4.2.2 不同温度下箱形钢梁极限均布荷载、跨中允许极限挠度计算

4.3 本章小结

第5章 基于ANSYS的高温下超静定钢梁分析

5.1 ANSYS温度—结构耦合场分析基础

5.2 有限元模型建立

5.2.1 单元选取

5.2.2 工字型截面模型建立

5.2.3 箱形截面模型建立

5.3 钢梁温度场分析

5.3.1 工字型截面钢梁温度场分析

5.3.2 箱形截面钢梁温度场分析

5.4 高温下超静定钢梁静力分析

5.4.1 边界条件和外载荷施加

5.4.2 工字型截面钢梁静力分析

5.4.3 箱形截面钢梁静力分析

5.5 理论计算与数值模拟进行对比分析

5.5.1 工宇型截面钢梁理论计算与数值模拟对比’

5.5.2 箱形截面钢梁理论计算与数值模拟对比

5.5.3 钢梁理论计算与数值模拟结果误差分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢

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摘要

钢结构由于其具有强度高、自重轻、塑性韧性好、抗震性能高、可靠性强等优点,故而在工程中得到了广泛的应用。但是其耐火性能差是它的一个无法忽视的问题。随着温度的升高,钢材的材料特性会发生明显变化,尤其是其力学性能。一旦发生火灾,钢结构的承载能力会因钢材的材料特性发生变化而显著下降,最终会导致整个建筑物坍塌,造成一定的经济损失和人员伤亡。因此,对钢结构进行抗火性能方面的研究是钢结构今后应用方面的一项必不可少的内容。本文基于国内外研究成果,对高温下一次超静定钢梁进行弹塑性分析,主要包括以下内容:
  (1)介绍了火灾标准升温曲线,并在此基础上根据传热学基本原理对高温下钢构件升温实用计算方法进行了简要的说明和总结;归纳总结了各国关于钢材在高温下其材料性能和力学性能随温度变化规律,通过对各国计算公式进行对比分析选择适合本文的材料特性计算公式。
  (2)在考虑高温下钢材材料参数变化的基础上,通过对高温下一次超静定钢梁的内力和变形过程进行分析,导出了高温下各阶段钢梁的内力和变形的计算表达式。
  (3)根据上一章推导的公式结合具体算例讨论了不同截面形式的钢梁在不同温度下其极限均布荷载、钢梁跨中允许极限挠度和支反力的变化过程。
  (4)基于ANSYS有限元分析方法,在高温条件下以一端固接、一端铰接的钢梁为例,对不同截面形式的钢梁进行温度场分析和静力分析,并将模拟分析得出的各阶段钢梁跨中允许极限挠度的结果与计算结果进行对比分析。

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