【摘要】：新材料、新技術(shù)和新理論是土木工程發(fā)展的助推劑。隨著鋼材產(chǎn)量的不斷提高,生產(chǎn)工藝水平的不斷發(fā)展,加工制作技術(shù)的不斷革新,在建筑市場強烈需求驅(qū)動下,采用高強度結(jié)構(gòu)鋼作為建筑結(jié)構(gòu)材料是近年來土木工程發(fā)展的新趨勢。已頒布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB50017-2017)和即將頒布的《高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中均對高強鋼給出相關(guān)規(guī)定與設(shè)計條文,此為高強鋼的應用提供了可靠技術(shù)支持。高強鋼在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能、建筑使用功能以及社會效益和環(huán)保效益等方面具有明顯優(yōu)勢,一些關(guān)乎國計民生且人員聚集的重大建筑(如高層辦公樓、展廳等)以及結(jié)構(gòu)中受力關(guān)鍵部位均大量采用了高強鋼材料。然而,近年來建筑火災頻發(fā),給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來了嚴重危害,結(jié)構(gòu)的抗火性能研究顯得尤為重要。與普通碳素鋼相同,高強鋼抗火性能較為羸弱,而國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范中均尚無針對高強鋼的相關(guān)抗火設(shè)計條文,這對高強鋼的應用無疑是巨大的技術(shù)缺失。為了補充高強鋼抗火性能試驗研究和計算理論,完善相關(guān)規(guī)范的高強鋼抗火設(shè)計條文,本文對無約束Q550高強鋼軸心受壓矩形柱抗火性能開展了試驗研究和有限元模擬,揭示其在火災下的行為反應和破壞機理,給出相應抗火計算公式。對國產(chǎn)Q550高強鋼材料開展了4個常溫試件和18個高溫試件的力學性能試驗。其中,常溫下材料力學性能采用靜態(tài)標準拉伸試驗完成,高溫下材料力學性能采用高溫穩(wěn)態(tài)試驗完成。試驗結(jié)果表明:(1)當溫度為20℃和100℃時,Q550高強鋼應力-應變曲線屈服平臺較短,班慧勇提出的多折線本構(gòu)模型與試驗結(jié)果吻合很好;(2)當溫度高于100℃時,Q550高強鋼應力-應變曲線不具有屈服平臺,Ma等人提出的一段式本構(gòu)模型與試驗結(jié)果吻合很好。最終,本文采用上述兩種本構(gòu)模型,為后續(xù)的有限元分析提供重要材料力學性能數(shù)據(jù)�；诓牧狭W性能試驗結(jié)果,對8根無約束Q550高強鋼軸心受壓矩形柱抗火性能開展了試驗研究。試驗主要考察荷載比n、長細比λ、截面寬厚比H/t和截面高寬比H/B對高強鋼軸心受壓柱抗火性能的影響,揭示了火災下高強鋼軸心受壓柱的受力性能和破壞模式。通過火災試驗獲取了各試件的爐溫-時間曲線、表面溫度-時間曲線、軸向位移-時間曲線、跨中側(cè)向位移-時間曲線、臨界溫度和最大軸向位移。試驗結(jié)果表明:(1)荷載比n是影響其臨界溫度的重要參數(shù),荷載比n的增大會明顯降低試件臨界溫度;(2)荷載比n、長細比λ、截面寬厚比H/t和截面高寬比H/B對火災下試件最大軸向位移有著顯著影響。采用ABAQUS有限元軟件建立試驗試件的精確有限元模型,對火災下Q550高強鋼軸心受壓矩形柱的力學行為進行數(shù)值模擬分析,再現(xiàn)試件火災試驗的全過程,考察其破壞過程與受力性能;將數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析,進而驗證了有限元模型的準確性。采用精確的有限元模型對Q550高強鋼軸心受壓矩形柱抗火性能的6個影響因素(截面面積A、截面寬厚比H/t、整體彎曲缺陷幅值e_0、長細比λ、荷載比n和截面高寬比H/B)進行參數(shù)化分析,分析結(jié)果表明:(1)截面面積A、長細比λ和荷載比n是影響試件臨界溫度的重要參數(shù),且荷載比n的影響最為顯著。(2)整體彎曲缺陷的有無對試件臨界溫度也有很大的影響,但缺陷幅值e_0的大小對試件臨界溫度影響不大。(3)試件寬厚比H/t和長細比λ影響其最終破壞形態(tài)。當長細比λ=10時,試件破壞時僅發(fā)生局部屈曲;當寬厚比H/t≤21.33且長細比λ≥50時,試件破壞時表現(xiàn)為整體屈曲;在其余條件下,試件破壞時同時發(fā)生整體屈曲和局部屈曲。(4)當長細比λ=30~90時,試件軸向位移曲線在達到峰值后迅速下降,試件最大軸向位移和臨界溫度對應的升溫時間相同;當長細比λ≤20或λ≥100時,試件軸向位移曲線在達到峰值后有短暫緩慢下降的過程,最大軸向位移和臨界溫度對應的升溫時間不相同。(5)截面面積A、截面寬厚比H/t、長細比λ、荷載比n和截面高寬比H/B對試件最大軸向位移有著顯著影響。在此基礎(chǔ)上,對截面面積A、長細比λ和荷載比n三個重要參數(shù)進行耦合分析,耦合分析結(jié)果表明:當長細比較小(λ≤50)時,長細比λ和荷載比n對試件臨界溫度的耦合作用較為顯著。根據(jù)不同長細比條件下鋼柱的破壞特征,分別用截面平均應力σ_(ave)和最大側(cè)向位移y_(max)作為火災下高強鋼柱臨界狀態(tài)的判別準則,通過理論推導與數(shù)值模擬分析提出不同臨界狀態(tài)下Q550高強鋼軸心受壓矩形柱臨界溫度的計算公式。通過理論推導,分別獲取高溫下高強鋼軸心受壓柱彈性階段三種軸向變形(軸向壓縮變形、彎曲產(chǎn)生的軸向變形和軸向膨脹變形)的計算公式,結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果對公式進行修正,提出火災下Q550高強鋼軸心受壓柱最大軸向位移的計算公式。將公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析,驗證了計算公式的準確性,為高強鋼柱抗火性能的后續(xù)研究提供了重要理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

州家電市場鋼結(jié)構(gòu)倉庫發(fā)生火災，15 分鐘后鋼結(jié)構(gòu)即發(fā)生整體坍塌，造成直接經(jīng)濟損失超過 1 億元。2013 年 1 月 1 日，杭州蕭山永成機械有限公司廠房發(fā)生火災，火災導致廠房整體倒塌，造成 3 名消防戰(zhàn)士犧牲。2013 年 9 月 2 日傍晚，溫州甌海區(qū)某海綿制品公司的工廠突發(fā)大火，造成 5 人遇難。2016 年 2 月 17 日，四川德陽某泡沫廠發(fā)生火災，整個鋼結(jié)構(gòu)廠房全部燒垮，所幸無人傷亡。2016 年，吉林長春德惠市寶源豐禽業(yè)有限公司主廠房發(fā)生火災，火災導致部分鋼構(gòu)件軟化，約 200 人傷亡，直接經(jīng)濟損失達 1.72億元。部分鋼結(jié)構(gòu)火災如圖 1-2所示。（a）美國世貿(mào)大廈倒塌過程 （b）溫州家電市場 1號倉庫火災

（g）悉尼 Grosvenor Place 大樓 （h）休斯頓 Reliant Stadium圖 1-3國內(nèi)外高強鋼應用的典型工程案例與傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼相比，新的鋼材生產(chǎn)工藝（TMCR）高強鋼化學成分具有更高的潔凈度（即 S、P、N、O 等雜質(zhì)元素含量和碳），使高強鋼具有細化的晶粒組織，良好的塑性和較高的機械強度[13]；以 Nb 化學元素為代表的微合金化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳元素強化方式，在提高鋼材屈同時，也能改善鋼材的塑性和韌性，，降低含碳量。為此，國家發(fā)改委 2014 年的第 35 號文件《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》中第 34
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU391;TU352.5

【參考文獻】

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本文編號：2633688