火災(zāi)下相貫焊接鋼管節(jié)點力學(xué)性能和破壞機(jī)理研究結(jié)題摘要

由一系列鋼管節(jié)點組成的鋼管結(jié)構(gòu)具有輕巧美觀、用鋼量省、力學(xué)性能好、防腐性能好、造型簡捷等優(yōu)點，其在大跨公共建筑、海洋平臺和高聳結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。學(xué)者們已經(jīng)對鋼管節(jié)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(jié)構(gòu)的耐火性能并不好，鋼材的材性由于溫度的升高而顯著降低。因此，火災(zāi)是鋼結(jié)構(gòu)失效的重要隱患，目前對鋼管節(jié)點的抗火性能研究非常缺乏。本課題首先采用三重塑性絞線原理建立高溫下鋼管節(jié)點承載力模型。通過數(shù)學(xué)方法建立塑性鉸線方程，推導(dǎo)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(zhuǎn)角以及相鄰微剛塊繞中間屈服線的轉(zhuǎn)角。通過建立高溫下的虛功方程，借助數(shù)值分析方法，得到高溫下鋼管節(jié)點的極限承載力。其次，開展了一系列相貫圓鋼管節(jié)點抗火試驗。得到了鋼管節(jié)點試件在火災(zāi)下的升溫曲線、變形曲線和破壞模式；同時開展了火災(zāi)后鋼管節(jié)點靜力強(qiáng)度試驗測試，對比了管節(jié)點在經(jīng)歷火災(zāi)前后的荷載-位移曲線和破壞模式。接著，采用有限元軟件ABAQUS中的熱力耦合分析模塊與子程序二次開發(fā)，綜合考慮鋼材在常溫、升溫、降溫、火災(zāi)后的本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建了可以模擬各類鋼管節(jié)點火災(zāi)全過程力學(xué)性能的有限元模型，并利用試驗數(shù)據(jù)，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(jìn)而，深入研究了幾何參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)、材料參數(shù)與荷載比對相貫圓鋼管節(jié)點臨界溫度和耐火極限以及火災(zāi)后靜力承載能力的影響，探討了不同的破壞標(biāo)志準(zhǔn)則對鋼管節(jié)點臨界溫度和耐火極限以及火災(zāi)后極限強(qiáng)度的影響。最后，基于試驗測試與有限元模型推導(dǎo)了相貫圓鋼管節(jié)點臨界溫度的計算方程，建立了鋼管節(jié)點火災(zāi)后承載力性能評估方法與計算模型，為鋼管節(jié)點的抗火設(shè)計提供參考方法，方便工程實際。

現(xiàn)代空心鋼管結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大跨公共建筑、中高層建筑和海洋導(dǎo)管架平臺中。對于跨度較大的鋼管結(jié)構(gòu)，由火災(zāi)引起的溫度效應(yīng)會對屋蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響；對于高度較大且層數(shù)較多的高層鋼管結(jié)構(gòu)，某樓層發(fā)生的火災(zāi)可能波及其他樓層或引起整體結(jié)構(gòu)的局部弱化；而對于以鋼管節(jié)點為支撐骨架的海洋平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，其主要用于開發(fā)石油和天然氣等易燃物質(zhì)，火災(zāi)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(jié)構(gòu)的相貫焊接鋼管節(jié)點的抗火性能研究。本課題擬通過理論分析、試驗測試和數(shù)值模擬方法，研究鋼管節(jié)點在火災(zāi)下的力學(xué)性能和破壞機(jī)理。主要內(nèi)容包括建立基于塑性鉸線理論高溫下鋼管節(jié)點承載力模型；研究高溫下鋼管節(jié)點的升溫特性、應(yīng)力變化特征、變形特征和破壞模式；研究端部約束、幾何參數(shù)和初始荷載對升溫過程中鋼管節(jié)點抗火性能的影響；建立高溫下鋼管節(jié)點有限元模型并提出鋼管節(jié)點臨界溫度方程。通過本課題研究，為鋼管節(jié)點的耐火設(shè)計提供參考方法。

對組成鋼管混凝土梁柱節(jié)點的基本構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行了理論和試驗研究；以截面形式、混凝土類型和試件曾經(jīng)歷的最高溫度為主要參數(shù)，進(jìn)行了32個鋼管再生混凝土短柱和8個鋼管普通混凝土對比試件火災(zāi)（高溫）后力學(xué)性能的試驗研究；在確定鋼材和核心再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，建立了火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能分析的有限元模型，揭示了火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土短柱的工作機(jī)理；在系統(tǒng)參數(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土軸壓承載力和彈性模量的簡化計算公式?；谟邢拊浖嗀BAQUS建立了鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點的理論分析模型，初步分析了影響該類節(jié)點火災(zāi)下和火災(zāi)升、降溫共同作用下力學(xué)性能的主要因素；設(shè)計了8個方鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點試件（火災(zāi)下試件6個、火災(zāi)升、降溫作用下試件2個），考察梁柱彎矩比（或線剛度比）、梁防火保護(hù)層厚度、梁荷載比等參數(shù)對該類節(jié)點時間－溫度關(guān)系、破壞形態(tài)、荷載-變形關(guān)系和變形-時間關(guān)系的影響規(guī)律。本項目的研究成果可為整體鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計及其火災(zāi)后的評估修復(fù)提供參考。 2100433B

為克服傳統(tǒng)一維梁單元整體計算模型不能考慮節(jié)點影響、單獨節(jié)點模型難以準(zhǔn)確截取邊界條件二者的缺陷，本項目采用殼單元或?qū)嶓w單元建立包含節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型，建立完全精細(xì)化模型-多尺度模型-傳統(tǒng)梁單元模型的有機(jī)聯(lián)系，從宏觀到微觀精細(xì)化地對空間結(jié)構(gòu)彈塑性破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，帶節(jié)點研究結(jié)構(gòu)、研究結(jié)構(gòu)中的節(jié)點。選取最常見的雙層網(wǎng)架、平面和立體管桁架、單層球面網(wǎng)殼、單層柱面網(wǎng)殼為研究對象，考慮幾何和材料雙非線性，精細(xì)地觀察結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點、連接各細(xì)部的應(yīng)力狀態(tài)和變形形式，跟蹤結(jié)構(gòu)各個部位塑性發(fā)展（或稱損傷）過程，揭示空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或穩(wěn)定破壞的彈塑性受力機(jī)理，探明焊接和施工缺陷等因素的影響程度，考察結(jié)構(gòu)的滯回性能和動力特性。從精細(xì)化非線性分析的角度，提出結(jié)構(gòu)整體、桿件、節(jié)點、連接的設(shè)計建議，主動控制結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，歸納了正確的設(shè)計構(gòu)造措施，使傳統(tǒng)梁單元模型和精細(xì)化分析具有一致性，為設(shè)計和施工提供了理論依據(jù)。本課題成果主要分為三個方面：第一方面主要研究對象為平面管桁架、立體管桁架精細(xì)化極限荷載分析和破壞機(jī)理研究；第二方面主要研究內(nèi)容為螺栓球節(jié)點精細(xì)化研究、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)極限承載力精細(xì)化分析和破壞機(jī)理、單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析和破壞機(jī)理、以及焊接空心球節(jié)點參數(shù)分析；第三方面主要是考慮焊接影響的空間結(jié)構(gòu)承載力精細(xì)化有限元分析、焊接球節(jié)點單層球面網(wǎng)殼動力極限承載力的精細(xì)化分析、和考慮桿件失穩(wěn)的單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性精細(xì)化分析和試驗研究。

為克服傳統(tǒng)一維梁單元整體計算模型不能考慮節(jié)點影響、單獨節(jié)點模型難以準(zhǔn)確截取邊界條件二者的缺陷，本項目擬采用殼單元或?qū)嶓w單元建立包含節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型，建立完全精細(xì)化模型-多尺度模型-傳統(tǒng)梁單元模型的有機(jī)聯(lián)系，從宏觀到微觀精細(xì)化地研究空間結(jié)構(gòu)彈塑性破壞機(jī)理，帶節(jié)點研究結(jié)構(gòu)、研究結(jié)構(gòu)中的節(jié)點。選取最常見的雙層網(wǎng)架、平面和立體管桁架、單層球面網(wǎng)殼、單層柱面網(wǎng)殼為研究對象，考慮幾何和材料雙非線性，精細(xì)地觀察結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點、連接各細(xì)部的應(yīng)力狀態(tài)和變形形式，跟蹤結(jié)構(gòu)各個部位塑性發(fā)展（或稱損傷）過程，揭示空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或穩(wěn)定破壞的彈塑性受力機(jī)理，探明焊接和施工缺陷等因素的影響程度，考察結(jié)構(gòu)的滯回性能和動力特性。從精細(xì)化非線性分析的角度，提出結(jié)構(gòu)整體、桿件、節(jié)點、連接的設(shè)計建議，主動控制結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，歸納正確的設(shè)計構(gòu)造措施，使傳統(tǒng)梁單元模型和精細(xì)化分析具有一致性，為設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。