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焊接圆钢管节点抗火性能研究

作　者: 陈成
导　师: 邵永波
学　校: 烟台大学
专　业: 结构工程
关键词: T型圆钢管节点内置加劲环抗火性能耐火极限参数分析
分类号: TU392.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

圆钢管结构由于其良好的力学性能、美观的艺术性造型和方便的制作与施工等优点而广泛应用于空间大跨结构。管节点通常为圆钢管结构的重要受力部分，由于薄壁管结构中的主管径向刚度通常小于支管的轴向刚度而使得节点会先于构件发生破坏，成为整个钢管结构受力的薄弱环节。目前，在常温下，在主管内焊接加劲环为较常用且有效的加强方式。由于钢材的力学性能会随着温度的升高而急剧降低，严重威胁钢管结构在火灾下的安全性能，因此本文对T型空心圆钢管节点以及相应的内置加劲环加强型节点的抗火性能进行了试验和有限元研究。主要研究内容如下：(1)对恒载升温条件下的T型空心圆钢管节点的抗火性能进行了试验测试。获得了其失效模式、节点温度随时间变化的曲线和节点位移随温度变化的曲线，并深入分析了升温条件下节点失效的原因。(2)对恒载升温条件下的内置加劲环加强型T型圆钢管节点的抗火性能进行了试验测试。获得了其失效模式、节点温度随时间变化曲线和节点位移随温度变化曲线，通过与空心T型圆钢管节点的试验数据的比较发现，内置加劲环能够有效得延长节点的耐火时间和节点的临界温度，有效地提高了管节点的抗火性能。(3)根据相应的试验条件，利用有限元软件ABAQUS建立了T型空心圆钢管节点的验证模型。经计算分析后得到的有限元结果与试验结果吻合较好，验证了模型的可靠性和准确性。在此基础之上对T型空心圆钢管节点进行了抗火性能的参数分析，研究了主管长径比α，支管主管直径比β，主管径厚比γ和荷载比n对于空心圆钢管节点的抗火性能的影响。(4)建立与试验相对应的内置加劲环加强型T型圆钢管节点的抗火有限元模型，通过对比验证了模型的可靠性和合理性。并在此基础上对内置加劲环加强型T型圆钢管节点的抗火性能进行了敏感性分析和参数分析。敏感性分析主要研究了加劲环位置和偏转角度对节点整体抗火性能的影响。参数分析主要研究了加劲环厚度与主管厚度比、加劲环深度与主管直径比、主管长径比α、支管与主管直径比β和主管径厚比γ对加强型节点的抗火性能的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 圆钢管节点介绍  9-12
  1.2 管节点抗火研究原因及意义  12
  1.3 相关课题研究现状  12-17
    1.3.1 常温下圆钢管节点研究现状  12-16
    1.3.2 高温下相关课题研究现状  16-17
  1.4 本文研究方法及内容  17-19
    1.4.1 研究方法  17-18
    1.4.2 研究内容  18-19
2 抗火研究基本知识  19-26
  2.1 传热学基本原理  19-22
  2.2 火灾环境及传热系数取值  22-23
  2.3 高温下钢材的材料属性  23-26
3 T 型圆钢管节点抗火试验分析  26-41
  3.1 试验安排  26-34
    3.1.1 试件设计  26-28
    3.1.2 试验装置和仪器  28-31
    3.1.3 试验过程  31-34
  3.2 节点破坏模式  34-35
  3.3 未加固节点结果曲线  35-39
    3.3.1 温度-时间曲线  35-37
    3.3.2 位移-温度曲线  37-39
  3.4 加固节点结果曲线对比  39-40
    3.4.1 温度-时间曲线对比  39
    3.4.2 位移-温度曲线对比  39-40
  3.5 本章结论  40-41
4 T 型圆钢管节点抗火性能有限元模拟  41-50
  4.1 引言  41-42
    4.1.1 有限元方法介绍  41
    4.1.2 ABAQUS 软件简介  41-42
  4.2 有限元模型的建立  42-45
    4.2.1 材料属性设置  42-43
    4.2.2 接触、荷载及边界条件设置  43-44
    4.2.3 单元选取及网格划分  44-45
  4.3 结果验证及分析  45-49
    4.3.1 破坏模式对比  45
    4.3.2 温度-时间曲线对比  45-47
    4.3.3 位移-温度曲线对比  47-49
  4.4 加劲环位置的敏感性分析  49
  4.5 本章结论  49-50
5 未加固节点抗火性能有限元参数分析  50-58
  5.1 参数的选取  50-51
  5.2 参数分析有限元模型  51-52
  5.3 各参数对 T 节点抗火性能的影响  52-57
    5.3.1 参数β的影响  52-54
    5.3.2 参数α的影响  54-55
    5.3.3 参数γ的影响  55-56
    5.3.4 火灾荷载比 n 的影响  56-57
  5.4 本章结论  57-58
6 加固节点抗火性能有限元参数分析  58-65
  6.1 参数的选取  58-59
  6.2 参数分析有限元模型  59-60
  6.3 加劲环的加固效率分析  60-62
  6.4 各参数对 T 节点抗火性能的影响  62-63
    6.4.1 参数β的影响  62-63
    6.4.2 参数γ的影响  63
  6.5 本章结论  63-65
7 结论与展望  65-67
  7.1 结论  65-66
  7.2 展望  66-67
参考文献  67-70
致谢  70-72
攻读学位期间发表论文目录  72-73

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