鋼結(jié)構(gòu)栓焊連接節(jié)點(diǎn)與高強(qiáng)度螺栓連接火災(zāi)后性能研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后是否可以繼續(xù)使用和救援人員在滅火后進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)的安全性都取決于火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的性能。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接性能的變化具有影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布的作用，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力與安全性具有重大的影響，一旦連接發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)構(gòu)件再?gòu)?qiáng)也不能發(fā)揮作用。所以，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)作用后的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究至關(guān)重要。 由于火災(zāi)的作用，鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的下降和單個(gè)鋼構(gòu)件剛度的下降必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分配。所以，在火災(zāi)作用后，準(zhǔn)確確定鋼結(jié)構(gòu)材料性能是

2、正確評(píng)定鋼結(jié)構(gòu)的剩余承載力及其整體安全性的必要步驟。 本文主要針對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中廣泛應(yīng)用的梁柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)和高強(qiáng)度螺栓連接在火災(zāi)中及火災(zāi)后的行為進(jìn)行研究，具體包括以下工作： 1)介紹了建筑火災(zāi)的巨大危害，綜述了國(guó)內(nèi)外抗火研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)，并詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)栓焊連接節(jié)點(diǎn)及其組件在常溫下、火災(zāi)高溫下及火災(zāi)后的研究現(xiàn)狀，指出了研究中尚存在的問(wèn)題。 2)在收集、整理國(guó)內(nèi)外建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼和高強(qiáng)螺栓用鋼的高溫材性試

3、驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了各種鋼材高溫下材料性能的數(shù)學(xué)模型，并選定本文有限元分析所用數(shù)學(xué)模型。 3)參考一個(gè)實(shí)際高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中的梁柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)及相連桿件的實(shí)際尺寸和受力情況，設(shè)計(jì)一個(gè)足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)四個(gè)足尺栓焊連接節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件模擬了火災(zāi)過(guò)程及消防滅火過(guò)程，進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)其火災(zāi)前與火災(zāi)后若干材料性能試驗(yàn)結(jié)果的分析比較，得到了火災(zāi)后鋼構(gòu)件母材化學(xué)成分、顯微金相組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律，以及可供工程實(shí)際參考應(yīng)用的火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)材料

4、性能的相關(guān)結(jié)論。本試驗(yàn)也為驗(yàn)證本文栓焊連接節(jié)點(diǎn)有限元分析模擬的精確度提供了依據(jù)。 4)采用ABAQUS非線(xiàn)性有限元程序，建立了鋼結(jié)構(gòu)梁柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)分析模型，模擬火災(zāi)升溫及降溫的試驗(yàn)過(guò)程，考慮材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性以及模型各組件間的接觸關(guān)系，分析了火災(zāi)中及火災(zāi)后降溫過(guò)程中模型各組件的應(yīng)力、應(yīng)變、變形、梁的撓度和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。為驗(yàn)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(diǎn)轉(zhuǎn)角與火災(zāi)試驗(yàn)得到的鋼梁

5、的撓度和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角數(shù)值進(jìn)行比較，并分析了兩者間出現(xiàn)誤差的原因。 5)常溫下，鋼結(jié)構(gòu)栓焊連接節(jié)點(diǎn)一般被視為“剛接”，但在火災(zāi)時(shí)以及火災(zāi)后，由于鋼材材性的變化，節(jié)點(diǎn)性能將發(fā)生變化，由此可能引起節(jié)點(diǎn)連接剛度的變化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此尚無(wú)深入研究，本文引用“組件法”對(duì)此進(jìn)行了初步分析和探索，并分別推出了栓焊連接節(jié)點(diǎn)在正、負(fù)彎矩作用下的轉(zhuǎn)角及初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的計(jì)算方法。與有限元模擬結(jié)果的比較分析表明，采用組件法計(jì)算栓焊連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角及初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的

6、方法是簡(jiǎn)單而有效的，本文對(duì)于連接組件剛度貢獻(xiàn)的選取是合理的，推出的計(jì)算公式可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算火災(zāi)下連接的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和轉(zhuǎn)角。本文推出的栓焊連接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角及初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的計(jì)算公式同樣適用于常溫下的栓焊連接節(jié)點(diǎn)，只需取常溫下的鋼材材性參數(shù)即可。 6)提出了用于評(píng)定栓焊節(jié)點(diǎn)連接的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后是否可繼續(xù)使用的簡(jiǎn)單方法和步驟。由研究可知，節(jié)點(diǎn)的剩余承載力與節(jié)點(diǎn)的剩余轉(zhuǎn)動(dòng)剛度成正比，由節(jié)點(diǎn)的剩余轉(zhuǎn)動(dòng)剛度即可判定火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)的剩余承載力，進(jìn)而

7、判斷該栓焊連接節(jié)點(diǎn)乃至整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)是否可繼續(xù)使用。 7)對(duì)四個(gè)足尺高強(qiáng)度螺栓連接進(jìn)行了模擬自然火災(zāi)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其火災(zāi)前與火災(zāi)后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的比較，采用最小二乘法，擬合得到了該類(lèi)節(jié)點(diǎn)火災(zāi)后性能的幾個(gè)主要參數(shù)與其所經(jīng)歷的最高火災(zāi)溫度相關(guān)的計(jì)算公式。這些參數(shù)包括預(yù)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(qiáng)度螺栓連接分析模型，模擬火災(zāi)升溫及降溫的試驗(yàn)過(guò)程，考慮材料非線(xiàn)性、幾何非