薄壁槽钢柱抗火性能的研究

《薄壁槽钢柱抗火性能的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、薄壁槽钢柱的抗火性能研究摘要火，作为人类从野蛮进化到文明的重要标志，给人类带来了光明和温暖、智慧和财富，但却在失去控制的时候，会造成生命和财产的巨大损失。建筑火灾多发性非常强，而钢结构由于不耐高温的缺点，发生火灾时，后果将更为严重，因此对钢结构和钢构件抗火性能的研究对人类的生产和生活具有非常重要的意义。单轴对称的开口薄壁构件，如不等翼缘的工字钢、槽钢、角钢不同于普通工字钢，在集中荷载作用下，具有整体分叉屈曲特性，即可能发生弯曲屈曲或者弯曲扭转屈曲，从而导致构件因达到极限承载状态而失效。有学者曾经对冷弯薄壁型钢的抗火性能进行了一些研究，

2、然而，高温对冷弯型钢的影响与其对热轧钢的影响效应有所不同，而且，对于具有约束的普通工字型钢柱的抗火承载力计算方法是否适用于具有分叉屈曲特性的热轧薄壁槽钢柱有待于进一步探讨，且有必要寻找一种解析的方法或者半经验的公式来计算具有轴向约束的热轧薄壁槽钢柱的理论抗火极限。由于槽钢柱在真实结构中的边界条件和在火灾中的结构响应更为复杂，温度与变形之间的关系也更加多样，而这种复杂的条件下无论是抗火承载力还是结构的变形都很难得到理论的解析解，足尺寸的试验方法虽然最能够反映确切的问题，但试验过程复杂、周期长且对人力物力消耗巨大，因此，采用有限元的方法，

3、从较为简单的边界条件出发，探索适合用于槽钢结构抗火性能分析的数值方法，可以为进一步的研究提供参考。基于前述背景，针对钢结构柱抗火性能研究中的不足，本文对热轧与冷弯薄壁槽钢柱的抗火性能进行了理论分析、试验研究和有限元数值模拟，得到了一些有重要参考价值的结论。本文对热轧与冷弯两种薄壁槽钢柱的抗火性能进行评估分析，研究其在高温状况下的屈曲特性，如弯曲、弯曲扭转屈曲，以及特别针对冷弯薄壁槽钢柱的局部屈曲、畸变屈曲。基于著名的Ranldne公式分别提出适合热轧薄壁槽钢柱抗火设计的计算方法，考虑了轴向约束对柱子受热膨胀的约束作用，并结合考虑整体分

4、叉屈曲对槽钢柱抗火性能的影响，用迭代的方式得到高温下槽钢柱的极限承载力，以及在某一设计荷载下的耐火失效温度。本文亦对4种截面11个热轧薄壁槽钢柱试件分别进行了稳态与瞬态的抗火试验研究，进一步观察其高温特性、变形模式，得到抗火极限承载力和失效温度的试验值；试验结果用于验证理论计算方法和为有限元模型提供必要的数据。借助有限元软件MSC．Marc．Mentat对热轧薄壁槽钢柱进行数值模拟，采用Trahair的初始缺陷公式进行有限元建模，数值计算结果与理论解、试验值对比，误差较小，失效变形模式基本一致，验证了有限元方法可以较准确地模拟槽钢柱的

5、抗火特性，得到较准确的抗火极限估计值，同时证明了理论方法的可靠性和合理性。采用有限元法和理论计算的方法对热轧薄壁槽钢柱的长细比、扭转刚度参数及截面的宽高比对其抗火性能的影响进行参数分析，得到了各种参数对热轧薄壁槽钢柱抗火性能的影响规律。针对冷弯薄壁槽钢柱，由于其较大的截面厚实性系数，在火灾或高温情况下，各种屈曲形式相互作用使得槽钢柱的抗火性能比普通钢构件的抗火性能差得多。本文从理论研究的方面，采用Hancock和Schafer分别提出的弹性畸变屈曲临界应力计算公式，考虑局部屈曲、畸变屈曲与整体屈曲同时发生情况，通过修正室温下的欧洲规范

6、EC3-Partl．3与英国规范BS5950：Part5针对冷弯型钢受压构件的计算方法，并考虑高温所导致的材性恶化，得到了计算冷弯薄壁型钢柱的抗火极限计算公式，对比曼彻斯特大学YCWang等人的试验研究结果，四种方法均与试验结果吻合较好，通过进一步比较分析发现：采用Hancock提出的畸变屈曲临界力计算公式修正欧洲规范EC3：Partl．3，并考虑整体屈曲形式及钢材等级的影响，进而得到的新的Rankine公式，因其与试验的误差绝对值最小，且结果偏安全，所以是最为适合计算冷弯薄壁槽钢柱抗火极限的方法，推荐使用，并对我国钢结构抗火设计提供

7、参考。关键词：抗火，热轧薄壁槽钢柱，轴向约束，弯曲扭转屈曲，冷弯薄壁槽钢柱，畸变屈曲，有限元，试验研究，参数分析ⅡResearchonFireResistanceBehaviourofThin．walledSteelColumnAbstractFire，theimportantsignthatindicatestheevolutionofhumansocietyfrombarbarismintocivilization，bringsthebrightandwarm，wisdomandwealthtohumanbeing．Butitca

8、nresultingreatloseoflivesandproperty．Buildingfireoftentakeplace，especiallytothesteelstructure，whichhasextremel