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轴向与截面非均匀温度场对某固支钢梁最大挠度影响研究

作　者: 陈跃光
导　师: 姚斌
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 固支钢梁最大挠度轴向均匀温度场轴向非均匀和截面均匀温度场轴向和截面非均匀温度场温度荷载力荷载
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

钢结构建筑因具有强度高、重量轻、材质均匀、工业化程度高、施工周期短等诸多优点而被广泛应用,尤其是在一些高层、大跨度和重荷载建筑中,但是耐火性能差是一个显著缺点。目前,国内外学者对钢梁的抗火设计进行过大量数值模拟研究,但大都假设温度场轴向均匀分布,与真实火灾环境差异较大,有必要对其在更接近真实火灾环境下的响应特性进行研究。固支钢梁是目前比较常用的一种钢构件,因此本文选取某12m长固支钢梁作为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件分析其在轴向与截面非均匀温度场下的火灾响应特性进行分析,主要考虑最大挠度,并与轴向均匀温度场进行比较。然后从温度荷载和力荷载两个方面分析其对钢梁最大挠度的影响,同时进行安全可控范围分析。主要包括以下几方面内容:1)利用目前国际通用的火灾动力学模拟软件FDS进行实体建模,布置热电偶测点分析得到室内温升曲线,并与ISO-834标准温度—时间曲线和BFD自然火灾温升曲线进行比较分析。结果表明:三者整体较为接近,考虑到ISO-834标准温度—时间曲线的通用性和权威性,本文仍选用其作为室内温升曲线。2)利用ANSYS有限元分析软件,保证最高温度( T_max = 688.4o C)、最低温度( T_min = 352.7 oC)和荷载（ q = 64.8KN m）不变,分别分析钢梁在轴向均匀、轴向非均匀和截面均匀、轴向和截面非均匀三种温度场下的最大挠度并进行比较。结果表明:当温度场轴向非均匀和截面均匀时,随着T_max位置从端部到中间,最大挠度逐渐减小,在距离端部1/4处有突增;在轴向均匀温度场、轴向和截面非均匀温度场、轴向非均匀和截面均匀温度场这三种温度场下,钢梁的最大挠度依次减小。3)利用ANSYS有限元分析软件,保证最高温度( T_max = 688.4o C)和力荷载（ q = 64.8KN m）不变,通过改变温差大小分析温度荷载对最大挠度的影响。结果表明:轴向非均匀温度场下,最大挠度均随着温差的增大而逐渐减小,但是截面同时分段减小的更快;仅在轴向分段时相同温差所引起的最大挠度较大,且两温度场之间最大挠度差值随着温差的增大而增大;截面同时分段温差贡献更大,即较小温差能引发较大最大挠度。4)利用ANSYS有限元分析软件,保证最高温度( T_max = 688.4o C)和最低温度( T_min = 352.7 oC)不变,分析力荷载对最大挠度的影响。结果表明:轴向均匀温度场下:最大挠度的减小速率随着力荷载的减小而减小,相应耐火时间随着力荷载的降低而增加,当q≤32.4KN m时,钢梁不会发生失效。轴向非均匀温度场下:最大挠度均随着力荷载的增大而增大,刚开始增加速度截面同时分段大于仅在轴向分段,在q = 64.8KN m后逆转;截面同时分段最大挠度均大于仅在轴向分段,且两者之间最大挠度差值随着力荷载的增加先增加后减小;截面同时分段力荷载贡献更大,即较小力荷载能引发较大最大挠度。5)根据温度荷载和力荷载对钢梁进行安全可控范围分析。轴向非均匀温度场下,给出场景失效临界点（X,Y）,根据温度荷载（X）和力荷载（Y）对最大挠度的贡献分析可得:当X↑,Y↓,钢梁安全;当X↓,Y↑,钢梁失效;当X↑,Y↑或X↓,Y↓则需要进一步计算分析温度荷载和力荷载哪个对最大挠度贡献更大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-13
  1.3 本文研究工作  13-15
    1.3.1 研究目标  13
    1.3.2 研究内容  13
    1.3.3 研究思路  13-15
  1.4 章节安排  15-16
第二章研究对象和研究方法  16-30
  2.1 研究对象  16-19
    2.1.1 钢梁整体稳定性  16
    2.1.2 钢梁设计荷载  16-18
    2.1.3 钢梁临界温度  18-19
  2.2 高温下钢材性能  19-21
    2.2.1 钢结构的热学性能  19
    2.2.2 钢结构的力学性能  19-21
  2.3 研究方法  21-30
    2.3.1 有限元分析法  22-26
    2.3.2 钢构件温升经验公式  26-30
第三章火灾温升曲线与有限元模型分析  30-52
  3.1 火灾温升曲线选择  30-45
    3.1.1 ISO-834 标准温度—时间曲线  30-31
    3.1.2 BFD自然火灾曲线  31-39
    3.1.3 FDS模拟曲线  39-44
    3.1.4 小结  44-45
  3.2 有限元模型  45-52
    3.2.1 温度场  45-46
    3.2.2 本构模型随温度的变化  46-48
    3.2.3 失效判据  48-49
    3.2.4 有限元模型  49-52
第四章不同温度场下钢梁最大挠度分析  52-66
  4.1 场景设置  52
  4.2 轴向均匀温度场分析  52-56
  4.3 轴向非均匀温度场分析  56-63
    4.3.1 轴向非均匀和截面均匀温度场分析  56-61
    4.3.2 轴向和截面非均匀温度场分析  61-63
  4.4 对比分析  63-66
第五章温度荷载和力荷载对钢梁最大挠度影响分析  66-80
  5.1 温度荷载影响分析  66-70
  5.2 力荷载影响分析  70-75
    5.2.1 轴向均匀温度场  71-73
    5.2.2 轴向非均匀温度场  73-75
  5.3 安全可控范围分析  75-77
  5.4 小结  77-80
第六章结论与展望  80-84
  6.1 结论  80-81
  6.2 创新点  81-82
  6.3 进一步展望  82-84
参考文献  84-88
致谢  88-90
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  90

轴向与截面非均匀温度场对某固支钢梁最大挠度影响研究

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