蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显蠕变变形,影响火灾中结构的变形和受力性能。现有的蠕变模型较多,但没有一个广泛适用的蠕变模型。不同的蠕变模型对钢结构抗火分析结果有很大影响。为了量化蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响,对5种常用的蠕变模型进行了对比分析。采用编写的约束钢梁计算程序,分别计算5种蠕变模型下约束钢梁的抗火性能并与试验数据进行对比。结果表明,采用Norton蠕变模型的计算结果与试验数据吻合最好。最后对影响约束钢梁抗火性能参数进行了研究,研究发现,Harmathy蠕变模型对约束梁抗火性能分析结果影响最大;不同蠕变模型对不同荷载比、约束刚度下的约束钢梁抗火性能影响程度均不同。     

H型钢梁(端板连接)火灾行为的试验研究

为研究钢结构抗火性能,对4根端板连接H型钢梁进行火灾行为的试验研究.全部火灾试验在自行研制的火灾试验炉上进行,采用足尺试验形式,考虑跨度、荷载大小两个主要因素.钢梁跨度分别为4 200,3 600 mm,荷载比率分别为0.48,0.78.得出钢梁的温度场分布、变形情况及端板连接、轴向约束对钢梁的影响.结果表明:H型钢梁在火灾作用下发生局部屈曲和弯扭屈曲现象;端板连接、轴向约束对H型钢梁的火灾行为影响明显;钢梁进入大变形阶段后,轴向约束压力变为轴向约束拉力,轴向拉力有阻止钢梁自身进一步变形的作用,即发生了悬链线作用.     

考虑轴力与底板约束的埋入式钢柱脚刚度模型

为准确预测埋入式(特别是浅埋)钢柱脚节点的初始转动刚度,将柱脚的埋入段简化为地基梁,基于初参数法完善考虑轴力影响的Winkler地基上的Timoshenko梁理论,提出受锚栓和混凝土约束的柱脚底板转动刚度的计算方法,进而建立可以综合反映柱脚埋深、埋入段剪切变形、钢柱轴力、底板约束影响的埋入式钢柱脚转动刚度模型。基于已验证的有限元模型进行参数分析,研究埋深比、轴力和锚栓布置对柱脚转动刚度的影响。与有限元结果的对比表明,提出的刚度模型较过往文献中理论模型具有更高的精度和更好的适用性,尤其是对于埋深比为0.5～1.5的浅埋柱脚节点。理论与有限元结果表明：埋深比较小时,柱脚转动刚度随埋深比的增加快速增大,而埋深比增加到一定程度后,其对转动刚度几乎无影响;柱脚转动刚度随钢柱轴压力增加呈增大的趋势;对于浅埋柱脚节点,底板约束对其转动刚度的影响较大,而随着埋深的增大,其影响逐渐减小;底板转动约束对埋深比小于1.5的节点刚度具有显著影响,当埋深比增大至2.5,其影响可以忽略。     

约束高强度Q460钢柱抗火性能试验

为获得高强度Q460钢柱的抗火性能,采用火灾试验炉对4个约束Q460钢柱进行抗火性能试验,试验采用恒载升温模式和ISO-834标准升温曲线,考虑了两个约束刚度和两个荷载比,测量了钢柱受火过程中的温度、轴向位移和跨中挠度,并得到了约束Q460钢柱的屈曲温度和破坏温度,采用约束钢柱的轴力放大系数方法计算了试件的破坏温度并和试验结果进行对比.研究表明:轴向约束刚度和荷载比对Q460钢柱的抗火性能影响较大,相同荷载比下轴向约束刚度大的钢柱破坏温度低,相同约束刚度下荷载比大的钢柱破坏温度低;轴力放大系数方法可以确定约束高强度Q460钢柱的临界温度.     

端部约束钢管混凝土柱耐火性能及抗火设计方法

为了给钢管混凝土柱的抗火设计提供有效方法,利用梁单元建立了端部约束钢管混凝土柱耐火性能分析的有限元计算模型。利用上述模型,考虑转动约束、轴向约束以及偏心距的影响,对火灾下端部约束钢管混凝土柱的计算长度系数和稳定系数等进行了系统的参数研究。最后,提出了端部约束钢管混凝土柱的抗火计算方法。     

连接墙板内置支撑的钢框架节点加强构造分析

为确保墙板内置无黏结支撑钢框架结构大侧移下利用内置支撑大幅屈服耗能,而钢框架在支撑连接区域处于弹性,通过有限元分析重点考察了支撑形式、支撑连接位置等对连接区域传力机制的影响,以及框架在连接处的加强构造.分析表明,1/50侧移角范围内时,梁端贴板加强后加强段基本处于弹性,非加强梁段的塑性铰位置与加强段端部间水平距离约为梁高的一半,塑性铰处翼缘轻微屈曲或无屈曲时钢梁截面的最大弯矩均接近塑性弯矩.据此,再结合支撑的连接位置和轴力便可确定出梁端内力,并进行节点域抗剪验算.分析还表明,节点域两侧的梁端弯矩按翼缘和腹板的抗弯刚度比例分配后传给节点域,而不是按现行设计规范中仅通过两翼缘的方式进行传递.节点域的柱腹板在剪切屈服后剪切变形大幅增加,增大了结构层间侧移.基于分析结果,给出了钢梁翼缘和腹板以及节点域柱腹板的贴板厚度等设计建议.     

约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析

利用SAFIR程序,开展了约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析。考察了轴向/转动约束刚度比、截面边长、荷载比、荷载偏心率、配筋率、升温时间等参数对ISO834标准升降温过程作用下约束混凝土柱的轴力的影响规律,并与单调升温时的相应规律进行了比较。通过对2880种工况的计算分析,建议给出了该类构件轴力变化系数的实用计算方法。研究结果表明：对于轴向/转动约束混凝土柱,无论单调升温还是先升温后降温,轴力变化系数总体都呈现出先逐渐增大而后有所减小或基本保持稳定,最后以较大速率持续降低的趋势,主要区别在于后期单调升温对应的降低速率一般比先升温后降温时更大;对于先升温后降温的轴向/转动约束混凝土柱,转动约束刚度比、柱长和混凝土保护层厚度对轴力变化系数影响较小,而轴向约束刚度比、荷载偏心率和配筋率越大或荷载比和截面边长越小,轴力变化系数的峰值就越大。     

柔性连接钢梁火灾行为的试验研究

对4根柔性连接H型钢梁进行了火灾行为的试验研究．试验采用足尺试验形式，试验中考虑了跨度、荷载大小两个主要因素．钢梁跨度分别为4200mm和3600mm．荷载比率分别为0．31和0．52．通过试验，得出了钢梁的温度场分布和变形情况．试验结果表明：H型钢梁在火灾作用下发生了弯扭屈曲现象；轴向约束对H型钢梁的火灾行为有一定影响；钢梁进入大变形阶段后，轴向约束压力变为轴向约束拉力，轴向拉力有阻止钢梁自身进一步变形的作用，即发生了悬链线作用．     

考虑爆裂影响的轴向约束高强混凝土柱耐火性能研究

应用有限元软件ABAQUS,基于一次爆裂模式,建立了轴向约束高强混凝土（HSC）柱的抗火分析模型.采用试验数据验证了模型的合理性.采用验证后的模型,分析了不同轴向约束刚度比下高强混凝土柱轴力及位移变化的规律,重点考虑了爆裂深度、爆裂长度、爆裂开始时间等爆裂参数对高强混凝土柱轴向位移、截面温度场和耐火极限的影响规律.研究表明：相同爆裂时间前提下,HSC柱轴向位移随爆裂深度、爆裂长度的增大而增大,耐火极限随之减小.爆裂深度、爆裂长度相同前提下,爆裂开始时间对HSC柱的耐火性能影响很小.当荷载比不变时,轴向约束刚度比对HSC柱膨胀阶段的最大轴向位移影响甚小,但是在越过初始平衡位置的收缩阶段对轴向位移影响很大.轴向约束刚度比对轴向约束HSC柱的耐火极限影响不大.     

弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响

在实际火灾中,结构中的柱子可能受到轴力和不同分布模式弯矩的共同作用。弯矩分布模式的不同将导致柱的抗火性能产生一定差异。考虑结构中柱的实际受力状态,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束PEC柱有限元模型,分析了不同轴向约束刚度比、荷载比和偏心率等参数情况下弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明,荷载比和偏心率较小时,不同的弯矩分布模式对PEC柱的变形特征和轴力变化系数影响不大;随着荷载比和偏心率的增大,对弯矩分布模式的影响变大。在其他参数相同的情况下,均匀弯矩分布模式下柱的耐火极限最短;三角形弯矩分布模式和异号弯矩分布模式下PEC柱耐火极限差别不大。     

双箱型空腹圆弧钢拱平面内稳定性分析

为研究新型双箱型空腹圆弧钢拱的平面内稳定特性,采用理论推导与有限元数值模拟相结合的方法,研究其平面内弹性屈曲及弹塑性稳定承载力,分析剪力对拱截面破坏模式的影响,并建立了平面内稳定承载力的设计方法。首先,根据拱截面的剪力分布情况,研究了双箱型空腹圆弧钢拱截面整体剪切变形及弦腹杆剪切变形对平面内弹性屈曲的影响;推导出了考虑双剪切变形影响时,双箱型空腹圆弧钢拱的纯压弹性屈曲荷载公式。然后,参考轴心受压柱设计原理,引入稳定系数及正则化长细比,绘制了纯压状态下的稳定曲线。最后,分析了在几种常见荷载工况下,双箱型空腹圆弧钢拱整体破坏模式的稳定承载力设计公式。本文分析的拱结构新颖,所提弹性屈曲荷载公式计算结果与有限元分析结果十分吻合,同时采用轴力与弯矩的二项式验算了整体稳定承载能力。研究结果可供日后科研和实际工程设计参考,具有一定的现实意义。     

轴力作用下基于子结构模型的约束PEC柱耐火极限研究

利用有限元软件ABAQUS,建立了包含部分梁、柱的约束PEC柱子结构温度场和力学分析模型,应用约束PEC柱的抗火试验数据验证了模型的合理性。采用上述模型分析了轴力比、轴向约束刚度、约束梁跨度、柱长度以及梁上荷载大小对轴力作用下约束PEC柱耐火极限的影响规律,并建立了该类构件的耐火极限简化计算公式。结果表明,轴力比和柱长度对轴力作用下约束PEC柱的耐火极限有较大影响,而轴向约束刚度、约束梁跨度及梁上荷载的影响很小;轴力比是影响柱耐火极限的重要参数,耐火极限随荷载比的增大迅速降低。给出的耐火极限计算公式可供约束PEC柱耐火设计参考。     

钢管自应力混凝土轴压柱的徐变计算模型

为了正确估计钢管自应力混凝土轴压柱的徐变及其对轴压柱长期性能的影响,对钢管自应力混凝土轴压柱的徐变计算模型进行了试验与理论分析.通过试验研究了钢管自应力混凝土轴压柱的长期力学性能,利用龄期调整的有效模量法建立了钢管自应力混凝土轴压柱在长期荷载作用下的徐变分析模型.结果表明:荷载作用一年后的钢管自应力混凝土轴压柱的极限承载力高于没有施加荷载的试件,所建立的徐变计算模型可以较好地模拟钢管自应力混凝土轴压柱的徐变试验结果;与普通混凝土相比,钢管约束下的自应力核心混凝土长期变形很小,但是引起的应力重分布不容忽视;含钢率对钢管自应力混凝土轴压柱长期变形性能的影响较为显著.     

冷弯薄壁C形钢柱翼缘转动约束刚度简化计算

畸变屈曲是冷弯薄壁型钢构件的主要破坏模式之一,按翼缘模型计算其弹性畸变屈曲应力时需要确定腹板对翼缘的转动约束刚度.现有转动约束刚度计算公式较复杂,求解过程需要进行一次迭代.为了简化计算过程,提出了冷弯薄壁C形钢柱翼缘转动约束刚度简化计算方法.该方法在Lau和Hancock公式的基础上,结合我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018 2002）中关于腹板和翼缘局部屈曲系数的规定而导出的,并根据Lau和Hancock公式计算结果对其进行了修正.与有限条分析值对比表明：该方法可以准确、方便地计算转动约束刚度,能够应用于冷弯薄壁型钢C形截面柱的设计计算.     

Stability of axially restrained steel columns under temperature action

The in-plane elastic buckling of a steel column under thermal loading is investigated. The column is pinned at its ends, with two linear elastic springs that model the restraint provided by adjacent members in a structural assemblage or an elastic foundation. Across a section, the temperature is assumed to be linearly distributed. Based on a nonlinear strain-displacement relationship, the energy method is used to obtain the equilibrium and buckling equations. Then the buckling of columns with three different thermal loading cases is studied. The results show that the analytical formulas can be used to evaluate the critical temperature for elastic buckling. The thermal gradient plays a positive role in improving the stability of columns. Comparing these predictions with uniform temperature distribution over cross section, it can be shown that the buckling load is seriously underestimated. It can also be found that axial restraints can significantly affect the column elastic buckling loads. The critical temperature decreases with an increase of restraint stiffness. Furthermore, the effect of axial stiffness increases when increasing the thermal gradients and decreasing the slenderness ratio of columns.     

钢管约束下煤矸石混凝土的强度及横向变形系数

采用理论分析与试验研究相结合的方法，通过对大量钢管煤矸石混凝土轴心受压短柱试验数据的计算，分析，推导出钢管煤矸石混凝土中核心混凝土的极限抗压强度及横向变形系数；分析了含钢率及混凝土的强度等级对煤矸石混凝土极限抗压强度的影响；指出低标号的煤矸石混凝土更适合与钢管相结合形成组合材料，以便充分发挥钢管对核心混凝土的约束作用。     

在役钢板组合梁桥的时变体系冗余性

为研究多梁式钢板组合梁桥应对非对称极端作用的体系非线性冗余性能，沿着结构的传力路径和体系的再平衡过程，辨识了体系承载的3种弯曲失效模式，推导了体系弹性分配和塑性再分配能力的定量评价新指标，建立了考虑承载机制经时变异性的时变体系冗余性评估方法。基于MATLAB/OpenSEES编制了单元纤维的时变演化参数组管理程序，研究了材料劣化对体系再平衡和内力重分配性能的影响规律；采用数值增量算法，开展了结构在非对称荷载下的弹塑性全过程分析，并通过与构件-体系层次的破坏性试验对比验证了数值模型的准确性，进而建立了基于纤维宏单元的时变体系非线性冗余数值模拟方法。研究结果表明：材料劣化会导致体系从多梁协同承载机制向单梁承载机制转换，并引起构件延性、体系冗余性和可靠性发生不同程度的退化；更适应现场快速装配需求的少主梁或少横联形式容易在服役年限出现构件安全性和体系冗余性不足的情况。主梁、中部横联和端部横联的失效对体系承载性能影响较大，为钢板组合梁桥的关键构件，其他横联的敏感性较低，为非关键构件。     

空间受力钢柱的双重非线性分析

使用塑性铰的概念,同时考虑几何非线性、残余应力、端部约束等的影响。对一系列空间钢柱在同时承受轴力和两个方向弯矩作用时的力学性能进行了模拟分析。与试验结果的对比分析表明,这种方法具有较好的准确性和可靠性,为高层钢结构空间力学性能简化分析奠定了理论基础。     

钢-混凝土连续组合梁腹板局部屈曲分析

对连续组合梁负弯矩区钢腹板的稳定性进行了研究,分析了负弯矩区钢梁腹板在弯曲、轴向压力和剪切作用下的力学性能,提出了组合梁腹板在各种荷载作用下的局部稳定性简化计算模型,建立了非均匀受压、纯剪和弯剪复合受力状态下的临界屈曲应力计算公式;分别计算了钢梁腹板在非均匀受压和纯剪状态下的弹性屈曲系数,并根据偏心受压与剪切作用下的相关方程计算了钢梁腹板在复杂应力状态下的弹性屈曲系数;基于屈曲分析结果,提出了组合梁在弹性受力阶段钢梁腹板不设横向加劲肋的高厚比限值。结果表明：采用该方法确定的钢梁腹板高厚比更具合理性,且计算过程简单,结果偏于安全。     

防火涂料局部破损后约束钢柱的临界温度

为了研究防火涂料局部破损后钢柱的抗火性能,根据分段平衡微分方程,分别推导了两端铰支和固支的钢柱局部防火涂料破损后高温下的挠曲线方程,采用边缘屈服准则得出了局部防火涂料破损后轴向约束钢柱临界温度的计算方法。用有限元对高温下的挠度和轴向位移进行了验证,结果吻合较好。通过算例计算了两端铰支轴向约束刚度内力随温度的变化关系,并计算了临界温度。研究结果表明：轴向约束增加高温下钢柱的内力,降低钢柱的临界温度;破损长度越长、轴向约束刚度越大,临界温度越低。