火灾高温下钢交错桁架结构抗侧力响应分析及试验研究

论文摘要

钢交错桁架体系是一种新型抗侧力结构体系,目前在国外已有实际的工程应用,但在我国仍处于理论研究阶段。本文在国家自然科学基金项目“钢结构交错桁架体系抗火性能研究”（编号：50706059）和中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开放课题“火灾高温下钢交错桁架结构抗侧力响应及稳定性研究”（编号：HZ2009-KF05）的支持以及中南大学研究生教育创新工程的资助下,研究了火灾下钢交错桁架结构的抗侧性能。采用理论分析、有限元模拟和试验研究的方法对火灾高温下钢交错桁架结构的抗侧响应及影响因素进行了研究。本文主要研究内容及结论如下：（1）针对火灾高温下钢交错桁架结构抗侧响应的特点,提出了火灾高温下该结构的侧移简化分析模型,并给出了水平荷载作用下钢交错桁架结构受高温作用的侧移计算方法；（2）采用ANSYS建立了三维钢交错桁架结构有限元模型,进而对火灾高温下钢交错桁架结构的力学响应行为进行了数值模拟,分析了高温下结构轴力、弯矩、位移的变化,获得了结构侧移随温度的变化规律；（3）结合钢交错桁架结构有限元模型,分别考虑结构高度、桁架高跨比及空腹节间宽度等,对火灾高温下该结构抗侧性能的影响因素进行参数分析。结果表明在荷载允许范围内,增加结构高度对钢交错桁架结构体系在高温下的抗侧性能影响不大,增大桁架高跨比将导致结构受火楼层侧移显著增加,较小的空腹节间宽度更有利于火灾下该结构的抗侧行为；（4）开展了6层1：8缩尺寸钢交错桁架结构火灾下抗侧响应的模型试验研究,对本文提出的简化侧移模型及有限元模型进行了验证,结果表明,简化侧移模型及有限元模型的计算结果与试验相一致。本文的分析结果与试验数据可为钢交错桁架结构的防火设计规范的制定及进一步的结构抗火研究提供参考与试验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 钢交错桁架结构体系的特点
• 1.2.1 钢交错桁架结构的组成
• 1.2.2 钢交错桁架结构的优点
• 1.3 钢交错桁架结构的研究现状
• 1.3.1 国外钢交错桁架结构的研究现状
• 1.3.2 国内钢交错桁架结构的研究现状
• 1.3.3 前人研究的不足
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 火灾高温下钢交错桁架结构侧移简化模型分析
• 2.1 引言
• 2.2 高温作用下的简化侧移模型
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 简化模型
• 2.3 火灾高温下钢交错桁架结构简化模型抗侧移计算分析
• 2.3.1 钢交错桁架结构抗侧移分析流程
• 2.3.2 火灾高温下交错桁架结构构件的弹性模量折减分析
• 2.3.3 抗侧刚度分析
• 2.3.4 简化模型侧移计算分析
• 2.4 火灾高温下钢交错桁架结构简化模型侧移计算步骤
• 2.5 小结
• 第3章 火灾高温下钢交错桁架结构抗侧力响应有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 高温下钢材的热工特性
• 3.3 高温下普通结构钢的力学性能
• 3.4 有限元模型的建立
• 3.4.1 单元选取
• 3.4.2 材料模型
• 3.4.3 失效准则
• 3.5 标准工况设置
• 3.6 截面温度场分析
• 3.7 标准工况结果分析
• 3.7.1 结构整体响应行为分析
• 3.7.2 受火桁架响应行为分析
• 3.8 钢交错桁架结构高温下抗侧性能变参数分析
• 3.8.1 钢交错桁架结构高度对高温抗侧性能影响
• 3.8.2 钢交错桁架结构桁架的高跨比对高温抗侧性能影响
• 3.8.3 钢交错桁架结构空腹节间宽度对高温抗侧性能影响
• 3.9 小结
• 第4章 火灾高温下钢交错桁架结构抗侧响应试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验模型建立
• 4.2.1 试验模型建立
• 4.2.2 试验测点布置
• 4.2.3 力学荷载
• 4.2.4 火源及相关热边界处理
• 4.3 试验结果及构件温度分布
• 4.4 试验结果与有限元结果及简化模型计算结果比较
• 4.4.1 有限元模型建立
• 4.4.2 简化模型计算参数选取
• 4.4.3 结果对比
• 4.5 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 今后尚待解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目