火災下相貫焊接鋼管節點力學性能和破壞機理研究

《火災下相貫焊接鋼管節點力學性能和破壞機理研究》是依託華中科技大學，由高飛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：火災下相貫焊接鋼管節點力學性能和破壞機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：高飛
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

現代空心鋼管結構廣泛套用於大跨公共建築、中高層建築和海洋導管架平台中。對於跨度較大的鋼管結構，由火災引起的溫度效應會對屋蓋結構產生較大影響；對於高度較大且層數較多的高層鋼管結構，某樓層發生的火災可能波及其他樓層或引起整體結構的局部弱化；而對於以鋼管節點為支撐骨架的海洋平台導管架結構，其主要用於開發石油和天然氣等易燃物質，火災更成為一項重大的安全隱患，因此有必要及時開展組成鋼管結構的相貫焊接鋼管節點的抗火性能研究。本課題擬通過理論分析、試驗測試和數值模擬方法，研究鋼管節點在火災下的力學性能和破壞機理。主要內容包括建立基於塑性鉸線理論高溫下鋼管節點承載力模型；研究高溫下鋼管節點的升溫特性、應力變化特徵、變形特徵和破壞模式；研究端部約束、幾何參數和初始荷載對升溫過程中鋼管節點抗火性能的影響；建立高溫下鋼管節點有限元模型並提出鋼管節點臨界溫度方程。通過本課題研究，為鋼管節點的耐火設計提供參考方法。

結題摘要

由一系列鋼管節點組成的鋼管結構具有輕巧美觀、用鋼量省、力學性能好、防腐性能好、造型簡捷等優點，其在大跨公共建築、海洋平台和高聳結構中得到了廣泛的套用。學者們已經對鋼管節點的靜力承載力、疲勞性能、動力性能等方面展開了深入研究，然而鋼結構的耐火性能並不好，鋼材的材性由於溫度的升高而顯著降低。因此，火災是鋼結構失效的重要隱患，目前對鋼管節點的抗火性能研究非常缺乏。本課題首先採用三重塑性絞線原理建立高溫下鋼管節點承載力模型。通過數學方法建立塑性鉸線方程，推導空間屈服線平面投影切向量與空間切向量的夾角，各微剛塊繞屈服線的相對轉角以及相鄰微剛塊繞中間屈服線的轉角。通過建立高溫下的虛功方程，藉助數值分析方法，得到高溫下鋼管節點的極限承載力。其次，開展了一系列相貫圓鋼管節點抗火試驗。得到了鋼管節點試件在火災下的升溫曲線、變形曲線和破壞模式；同時開展了火災後鋼管節點靜力強度試驗測試，對比了管節點在經歷火災前後的荷載-位移曲線和破壞模式。接著，採用有限元軟體ABAQUS中的熱力耦合分析模組與子程式二次開發，綜合考慮鋼材在常溫、升溫、降溫、火災後的本構關係，構建了可以模擬各類鋼管節點火災全過程力學性能的有限元模型，並利用試驗數據，通過對比升溫曲線、變形曲線和破壞模式驗證了有限元方法的正確性。進而，深入研究了幾何參數、熱學參數、材料參數與荷載比對相貫圓鋼管節點臨界溫度和耐火極限以及火災後靜力承載能力的影響，探討了不同的破壞標誌準則對鋼管節點臨界溫度和耐火極限以及火災後極限強度的影響。最後，基於試驗測試與有限元模型推導了相貫圓鋼管節點臨界溫度的計算方程，建立了鋼管節點火災後承載力性能評估方法與計算模型，為鋼管節點的抗火設計提供參考方法，方便工程實際。