基于SMCS模型的高强螺栓及节点火灾全过程断裂性能模拟

高强螺栓广泛应用于钢结构节点连接,火灾高温会影响其基本材性和断裂行为,从而影响螺栓节点抗火性能甚至整体结构抗倒塌性能。基于10.9级高强螺栓火灾全过程(升温段、降温段、火灾后)单轴拉伸试验结果,结合有限元模拟,对不同温度历程和应力三轴度对应的螺栓SMCS断裂模型进行校准,并与螺栓材性试验和T-stub节点试验结果对比验证;对T-stub节点火灾全过程断裂行为进行参数分析,研究损伤准则和温度历程对节点失效模式和变形特征的影响。结果表明:校准的SMCS模型能够有效、准确地预测螺栓和节点在火灾全过程和高应力三轴度(0.3~1.2)下的受拉断裂行为,适用预测误差在12%以内;拉伸温度和峰值温度是影响高强螺栓抗断能力的主要因素,螺栓抗断能力随温度升高而提高;不同温度历程下T-stub节点可能发生翼缘板屈服断裂、翼缘板和螺栓同时屈服断裂、螺栓屈服断裂三种失效模式,且节点的变形能力(延性系数)与失效模式有关,确定钢板母材和螺栓的断裂模型是准确预测节点失效模式的关键。

火灾全过程下10.9级高强螺栓断裂性能试验研究

火灾下钢梁悬链线效应产生的附加作用力易造成梁柱节点断裂破坏,掌握高强螺栓的高温力学性能和断裂性能是研究钢节点高温断裂破坏机理的基础。考虑应力三轴度和温升历程的影响,设计10.9级高强螺栓平滑圆棒和缺口圆棒试件,分别进行火灾升温段、升温-降温段和火灾后螺栓拉伸断裂试验,获得高强螺栓火灾全过程下工程和真实应力-塑性应变曲线;研究高强螺栓在复杂应力和高温共同作用下的断裂性能,并通过电镜扫描试件断口,研究其微观断裂机理。研究表明:火灾全过程下高强螺栓呈现韧性断裂特征;温度高于400℃时,EC3结果偏不安全,弹性模量折减系数偏大约0.15,屈服强度偏大0.3~0.4;不同温度工况下,应力三轴度越大,高温屈服强度和极限强度越大,断裂应变越小,但超过600℃时应力三轴度影响被削弱;断裂应变随温度升高而增大,降温段螺栓材性与峰值温度有关,直接采用升温段材性代替会造成不安全结果,弹性模量差异可达常温值的15%,屈服强度相差达20%;升温段材性直接代替火灾后材性则会造成材料浪费,强度折减系数差异达0.36。

高应力三轴度下Q355钢火灾全过程断裂性能试验研究

火灾下钢构件断裂破坏是导致整体结构连续性倒塌的主要原因之一,掌握钢材高温断裂性能是研究钢结构抗火承载性能和评估高温后结构安全性的基础。以Q355钢为研究对象,设计光滑圆棒和缺口圆棒试件,进行火灾全过程(升温段、降温段、高温后)拉伸断裂试验,研究复杂应力状态(应力三轴度)和温升历程(峰值温度和拉伸温度)对钢材工程和真实应力-应变曲线、断裂应变的影响,并通过电镜扫描研究其微观断裂机理,结合数值模拟对高温断裂模型进行参数标定。研究表明:火灾全过程下Q355钢材呈现韧性断裂特征,拉伸温度和应力三轴度对其断裂性能影响较大;拉伸温度和峰值温度越高,断裂应变越大,延性越好,高温后断裂性能与常温相似;应力三轴度影响材料断裂性能对温度的敏感性,温升历程影响真实应力-应变曲线塑性段斜率;SMCS断裂模型适用于预测Q355钢材火灾全过程断裂行为,需采用不同参数表征钢材升温段和降温段断裂性能。

考虑火灾全过程的钢管混凝土组合框架力学性能初步研究

为进一步研究真实火灾工况下钢管混凝土组合框架的抗火性能,基于有限元软件ABAQUS建立了单层单跨圆形钢管混凝土柱-组合梁平面框架经历火灾全过程的数值分析模型。通过合理选取热工参数,进行了组合框架在ISO-834标准升降温曲线下的热传分析,研究了组合框架钢管混凝土柱与组合梁截面温度场的变化规律;在热传模型的基础上,通过合理选取材料本构模型、单元类型、边界条件以及网格划分等,对经历常温加载、升温、降温以及火灾后的钢管混凝土柱-组合梁平面框架的力学性能进行初步探讨。结果表明,由于钢筋混凝土楼板在受火过程中的吸热与约束作用使组合框架在受火后仍具有较高承栽力。该方法可进一步完善钢管混凝土结构抗火分析理论,也可供实际工程应用参考。

考虑火灾全过程的钢管混凝土平面框架受力性能分析

为系统研究钢管混凝土结构的抗火性能,在合理选取钢管与混凝土热力本构模型以及边界条件等基础上,基于ABAQUS软件建立了钢管混凝土柱-组合梁平面框架的热传分析模型和考虑火灾全过程作用的热力耦合数值模型,并与已有试验数据对比验证。在此基础上进行了考虑升降温与外荷载共同作用下框架水平荷载(P)-水平位移(Δ)曲线计算和参数分析,火灾升降温曲线选取ISO-834标准曲线。结果表明:由于火灾作用使得框架的水平极限承载力和初始刚度均有所降低,柱顶轴向压缩量在火灾降温过程中有所减小;柱火灾荷载比、防火保护层厚度以及柱长细比对框架P-Δ曲线形状影响较显著。

三面受火的方钢管混凝土柱火灾全过程力学性能分析

为系统研究非均匀受火时钢管混凝土结构的抗火性能,在合理选取不同阶段钢材和混凝土的热力本构模型的前提下,基于ABAQUS有限元平台,建立方形截面钢管混凝土柱三面受火数值模型。对经历常温加载、升温、降温以及火灾后等不同阶段的钢管混凝土柱力学性能进行初步分析,并与已有的试验进行对比验证;同时,分析了升温时间比t0、保护层厚度a、火灾荷载比n及长细比λ等参数对构件受火性能的影响。结果表明,三面受火时,钢管混凝土柱的破坏形式与均匀受火时有明显差异,因为柱截面温度的不均匀分布会使其产生附加偏心距,发生失稳破坏;三面受火后,钢管混凝土柱的极限承载力和延性均有不同程度的降低;长细比及升温时间比对三面受火时的方钢管混凝土柱力学性能影响较为明显,承载力和延性有明显的下降。

三面受火的内配型钢方钢管混凝土柱火灾全过程分析

采用有限元软件ABAQUS建立了标准火灾作用下内配型钢方钢管混凝土柱的热力耦合模型,并与已有的试验进行了对比和验证。计算了该类构件在火灾全过程作用下的荷载-轴向位移、荷载-跨中侧向位移的关系曲线,分析了该类构件在常温加载、升温、降温、火灾后再加载四个阶段的应力变化情况,并将强轴和弱轴两种加载方式下的结果进行了对比。在此基础上,对影响火灾后剩余承载力影响系数的主要参数进行了分析。结果表明:火灾荷载比、升温时间比、长细比等因素对该类构件火灾后剩余承载力有较显著的影响。

火灾全过程作用下钢-混凝土组合楼盖力学性能有限元研究

为分析火灾全过程作用下钢-混凝土组合楼盖的力学性能,利用有限元分析软件ABAQUS,合理选取钢材和混凝土材料本构模型,并考虑不同构件之间相互接触等基础上,建立了考虑火灾和荷载共同作用下的钢-混凝土组合楼盖热-力耦合有限元模型,并与现有相关试验数据进行了模型验证。在此基础上,对经历常温、火灾升温、降温作用以及火灾后等不同阶段的组合楼盖受力性能和工作机理进行了研究,并对影响火灾全过程作用后钢-混凝土组合楼盖力学性能的影响因素进行了分析。分析结果表明:火灾高温作用使得组合楼盖的承载力相对于常温下有所降低,由于组合楼板的吸热作用,整个楼盖温度较低,受火后仍然具有较高的承载力;火灾升温时间比、钢梁的屈服强度、混凝土抗压强度和板厚度对火灾全过程作用后钢-混凝土组合楼盖的力学性能影响较显著。

火灾全过程中高层钢框架结构抗连续性倒塌性能及控制措施

建筑内部火灾的发生、发展过程较为复杂,采用标准升温曲线会造成过于保守或偏于不安全的结果。为研究火灾升降温全过程中三维部分铰接钢框架结构(周边刚接、内部铰接)的抗连续性倒塌性能,分析火灾场景、防火等级和支撑布置对结构倒塌的影响。研究表明:钢框架结构是否倒塌主要受升温段持续时间的影响,倒塌模式呈现明显的侧移式和下沉式特点,倒塌时间可偏保守地取为钢柱温度达到550℃时对应的时刻,结构受火的严重程度与其构件的防火等级有关,较高的防火等级可以防止结构在升温段发生倒塌,但也可能导致结构在降温段倒塌;为防止框架梁端在升温段和降温段发生断裂,梁端受拉承载力应分别不低于梁屈服荷载的30%和100%。在实际设计中,建议在顶层整层布置水平支撑体系,并在周边和内部布置竖向支撑体系,以防止结构发生倒塌;建议在确定结构的耐火等级时,应考虑可能发生的火灾场景,尤其要重视"长时-低温受火"的危险性。

火灾下型钢混凝土柱的受力全过程分析

实际结构从正常使用到遭受火灾作用,至火灾后进行维修加固,其结构受力经历了常温、升温、降温和火灾后4个阶段(简称结构受力全过程)以及火灾升、降温作用阶段(简称火灾作用全过程)。基于上述结构受力和火灾作用的全过程,建立了全过程火灾作用下型钢混凝土柱力学性能分析的有限元模型,分析了全过程火灾作用下型钢混凝土柱的温度—时间关系、轴向荷载—位移关系和截面内力分布等。研究结果表明,不考虑外荷载和火灾升、降温共同作用得到的火灾后剩余承载力和对应的峰值位移结果偏于不安全;在结构受力全过程和火灾作用全过程中,型钢混凝土截面各材料之间发生了应力重分布。

火灾后波纹钢腹板组合梁力学性能研究

建立了波纹钢腹板组合梁全过程火灾下有限元分析模型,利用持荷情况下,经历火灾升-降温全过程作用后的波纹钢腹板组合梁力学性能试验结果验证了模型的合理性。采用验证后的有限元模型对影响组合梁火灾后力学性能的参数进行了研究,其中包括:升温时间、荷载比、剪跨比及材料强度。分析结果表明:全过程火灾后组合梁有受弯破坏和受剪破坏两种破坏模式,剪跨比为1.5时,组合梁发生受剪破坏;剪跨比为2.5和3.5时组合梁发生受弯破坏;火灾后波纹钢腹板组合梁剩余承载力与剪跨比、混凝土强度及外包钢梁屈服强度成正比,与升温时间、荷载比成反比;升温时间越长,荷载比对组合梁火灾后剩余承载力影响越显著。

全过程火灾下矩形截面钢管混凝土叠合柱温度场数值研究

由于钢管混凝土叠合柱(ST-RC)具有良好的抗震性能和耐火性能,本文对矩形截面钢管混凝土叠合柱在标准火灾全过程(包括升温、降温阶段)下的热学性能进行了数值研究。利用Abaqus有限元分析软件建立矩形截面钢管混凝土叠合柱的热学分析模型,结合相关试验数据对模型的准确性进行验证,并对标准火灾升温、降温全过程下试件的温度场分布情况进行分析。结果表明:矩形截面钢管混凝土叠合柱在标准火灾升温下的温度场分布呈现双轴对称形态,外围混凝土厚度较大的长轴方向上构件内部测点的温度相对短轴方向更低;在火灾作用的全过程中,混凝土的温度变化存在滞后现象,使得试件受火表面之间距离越大的区域升温、降温的滞后时间也越长;在降温的最终时刻,截面温度场分布为内高外低形式,与升温结束时刻的温度场分布方式相反;与升温结束时刻相比,火灾后(历史最高温度)的温度场中混凝土材料达到劣化温度的区域面积更大,采用历史最高温状态的温度场进行火灾全过程中叠合柱结构相关力学性能的计算时更安全。

轴心受压SRC柱受火全过程数值分析

在确定升、降温段钢材和混凝土材料性能的基础上,利用通用有限元软件ANSYS对轴心受压型钢混凝土柱受火全过程进行计算分析。结果表明截面温度滞后现象比较明显,在降温后的较长时间内构件内部仍在升温,SRC柱性能进一步劣化,其抗火能力最不利阶段发生在火灾降温过程中。

基于升降温全过程分析的SRC柱耐火性能参数分析

为了全面评估自然火灾下SRC柱的抗火性能,利用有限元软件ABAQUS建立了SRC柱升、降温全过程分析模型,对SRC柱在降温段发生破坏的可能性进行探究,并采用已有的试验数据验证了模型的正确性。探究了自然火灾的升温时间、火灾荷载比、SRC柱截面尺寸、长细比等参数对SRC柱在降温段发生破坏的影响。结果表明,SRC柱在降温段存在发生破坏的可能;影响SRC柱在降温段破坏的主要参数有火灾升温时间、火灾荷载比、柱长细比、截面尺寸;在几何参数与荷载一定的情况下,火灾升温时间对SRC柱在降温段发生破坏起决定性作用;随火灾荷载比和长细比的增大,SRC柱在全过程火灾作用下的耐火性能减弱;随截面边长的增大,SRC柱在全过程火灾作用下的耐火性能增强。

圆钢管混凝土短柱的火灾后剩余承载力研究

在提出火灾全过程各阶段中钢管和核心混凝土应力-应变关系模型的基础上,采用有限元软件ABAQUS中的热-应力耦合分析模块计算了ISO-834标准火灾全过程作用后圆钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系曲线,计算结果和试验结果基本吻合.对火灾全过程中圆钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系、钢管和核心混凝土的截面应力分布以及两者之间的相互作用进行了分析,探讨了升温时间、初始荷载、截面含钢率、钢材强度、混凝土强度、防火保护层厚度和截面尺寸等参数对圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的影响规律,最终提出了圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的简化计算公式.

方钢管混凝土短柱的火灾后剩余承载力研究

与钢结构和钢筋混凝土结构相比,钢管混凝土结构具有较好的灾后可修复性。为研究方钢管混凝土轴压短柱的火灾后残余力学性能,采用有限元软件ABAQUS中的完全耦合热—力分析模块,建立了火灾后方钢管混凝土轴压短柱的有限元计算模型。通过有限元计算结果与试验结果的比较分析,验证了有限元计算模型的准确性。对火灾全过程中方钢管混凝土轴压短柱的荷载—变形关系、钢管和核心混凝土的截面应力分布以及两者之间的相互作用进行了机理分析。最后通过影响参数分析,明确了升温时间、防火保护层厚度和截面尺寸是影响方钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的主要参数,提出了方钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的简化计算公式。

内配型钢方钢管混凝土偏压构件受火全过程数值模拟

内配型钢钢管混凝土构件由于其较高的承载力、较好的延性及耗能能力在工程实践中具有良好的发展前景,该文运用ABAQUS有限元软件,在合理选取钢材、混凝土本构热力模型的基础上,采用顺序热-力耦合的方法建立了内配型钢的方钢管混凝土偏心受压柱火灾全过程的数值模型,计算了其火灾全过程作用下的轴向荷载-位移曲线,分析了截面应变、应力的变化情况及火灾全过程作用下各组件的荷载分配情况,最后对影响极限承载力的主要因素进行了参数分析,发现火灾荷载比、升温时间比、长细比、荷载偏心率及钢管含钢率等因素对构件承载力的影响较为显著。

考虑升降温作用的高温后型钢混凝土偏压柱受力性能试验研究

为更加真实地反应构件在火灾中的实际状况,了解升、降温过程中荷载存在对高温后构件性能的影响,进行了2根偏压型钢混凝土柱的抗火全过程试验。试验采用ISO-834标准升、降温曲线,并保持火灾作用时荷载恒定;同时,分析了构件强度和变形发展规律。结果表明,火灾作用后试件的破坏形态和特点与常温下有显著不同;构件受力性能和剩余承载力主要与预加荷载、火灾持续时间等因素有关;荷载较大时试件可能在降温段发生破坏。

组合结构耐火性能研究的部分新进展

组合结构的耐火性能和抗火设计原理研究是工程界所关注的热点问题。该文简要介绍了国内外研究者们在组合板、组合梁、组合柱等结构构件以及结构节点、框架和结构体系耐火性能方面取得的部分研究结果,归纳了组合结构在火灾下(后)的工作机理和抗火设计方法及耐火性能研究方面的部分新进展。该文最后对组合结构抗火研究领域需进一步开展的工作进行了探讨和展望。

钢-混凝土组合结构抗火性能研究与应用

本文主要论述了近年来在钢-混凝土组合结构抗火设计原理方面进行的研究工作,具体包括:①钢管混凝土和型钢混凝土构件、组合节点和组合框架结构的耐火性能;②经历常温加载、升温、降温阶段持荷和火灾后加载这一连续过程作用的组合结构构件、CFST 柱-钢梁节点和 SRC 柱-SRC 梁节点的力学性能。作者建立了力和火灾共同作用下组合构件、节点和框架结构的数值分析模型,并通过试验对数值模型进行了验证,在此基础上深入研究了力和火灾共同作用下组合结构的工作机理、抗火设计原理和方法。该文简要论述已取得的研究成果以及应用效果。