鋼結構栓焊連接節(jié)點與高強度螺栓連接火災后性能研究.pdf

1、結構在火災后是否可以繼續(xù)使用和救援人員在滅火后進行火災現(xiàn)場救援時的安全性都取決于火災后結構的性能。鋼結構節(jié)點連接性能的變化具有影響結構內力重新分布的作用，對整個結構的受力與安全性具有重大的影響，一旦連接發(fā)生破壞，結構構件再強也不能發(fā)揮作用。所以，對鋼結構節(jié)點在火災作用后的力學性能進行深入研究至關重要。 由于火災的作用，鋼結構材料強度的下降和單個鋼構件剛度的下降必然導致結構內力重新分配。所以，在火災作用后，準確確定鋼結構材料性能是

2、正確評定鋼結構的剩余承載力及其整體安全性的必要步驟。 本文主要針對建筑鋼結構工程中廣泛應用的梁柱栓焊連接節(jié)點和高強度螺栓連接在火災中及火災后的行為進行研究，具體包括以下工作： 1)介紹了建筑火災的巨大危害，綜述了國內外抗火研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，并詳細分析了國內外鋼結構栓焊連接節(jié)點及其組件在常溫下、火災高溫下及火災后的研究現(xiàn)狀，指出了研究中尚存在的問題。 2)在收集、整理國內外建筑鋼結構用鋼和高強螺栓用鋼的高溫材性試

3、驗結果的基礎上，分析了各種鋼材高溫下材料性能的數(shù)學模型，并選定本文有限元分析所用數(shù)學模型。 3)參考一個實際高層建筑鋼結構中的梁柱栓焊連接節(jié)點及相連桿件的實際尺寸和受力情況，設計一個足尺試驗模型，并對四個足尺栓焊連接節(jié)點及構件模擬了火災過程及消防滅火過程，進行試驗研究。通過對其火災前與火災后若干材料性能試驗結果的分析比較，得到了火災后鋼構件母材化學成分、顯微金相組織和力學性能的變化規(guī)律，以及可供工程實際參考應用的火災后鋼結構材料

4、性能的相關結論。本試驗也為驗證本文栓焊連接節(jié)點有限元分析模擬的精確度提供了依據(jù)。 4)采用ABAQUS非線性有限元程序，建立了鋼結構梁柱栓焊連接節(jié)點分析模型，模擬火災升溫及降溫的試驗過程，考慮材料非線性、幾何非線性以及模型各組件間的接觸關系，分析了火災中及火災后降溫過程中模型各組件的應力、應變、變形、梁的撓度和節(jié)點轉角的變化規(guī)律。為驗證有限元分析方法的精確度，本文將ABAQUS有限元模擬得到的梁撓度和節(jié)點轉角與火災試驗得到的鋼梁

5、的撓度和節(jié)點轉角數(shù)值進行比較，并分析了兩者間出現(xiàn)誤差的原因。 5)常溫下，鋼結構栓焊連接節(jié)點一般被視為“剛接”，但在火災時以及火災后，由于鋼材材性的變化，節(jié)點性能將發(fā)生變化，由此可能引起節(jié)點連接剛度的變化。國內外學者對此尚無深入研究，本文引用“組件法”對此進行了初步分析和探索，并分別推出了栓焊連接節(jié)點在正、負彎矩作用下的轉角及初始轉動剛度的計算方法。與有限元模擬結果的比較分析表明，采用組件法計算栓焊連接節(jié)點的轉角及初始轉動剛度的

6、方法是簡單而有效的，本文對于連接組件剛度貢獻的選取是合理的，推出的計算公式可以比較準確地計算火災下連接的初始轉動剛度和轉角。本文推出的栓焊連接節(jié)點轉角及初始轉動剛度的計算公式同樣適用于常溫下的栓焊連接節(jié)點，只需取常溫下的鋼材材性參數(shù)即可。 6)提出了用于評定栓焊節(jié)點連接的鋼結構發(fā)生火災后是否可繼續(xù)使用的簡單方法和步驟。由研究可知，節(jié)點的剩余承載力與節(jié)點的剩余轉動剛度成正比，由節(jié)點的剩余轉動剛度即可判定火災后節(jié)點的剩余承載力，進而

7、判斷該栓焊連接節(jié)點乃至整個鋼結構是否可繼續(xù)使用。 7)對四個足尺高強度螺栓連接進行了模擬自然火災試驗，通過對其火災前與火災后力學性能試驗結果的比較，采用最小二乘法，擬合得到了該類節(jié)點火災后性能的幾個主要參數(shù)與其所經歷的最高火災溫度相關的計算公式。這些參數(shù)包括預緊力、滑移荷載、螺桿硬度、螺母硬度和墊圈硬度等。 8)采用ABAQUS有限元程序，建立了高強度螺栓連接分析模型，模擬火災升溫及降溫的試驗過程，考慮材料非線性、幾何非