基于稳态和瞬态传热理论对焊接圆钢管节点在高温下性能的研究

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目前,对于高温下管节点的静力性能的研究理论主要有两种:稳态理论与瞬态理论。稳态理论采用恒温加载,而瞬态理论则采用恒载升温。由于瞬态理论考虑温度、钢材性能随时间的变化历程,以及火灾发生前节点的初始变形,因此瞬态理论能更好的反映实际火灾发生时的真实外部条件,比稳态理论更具合理性。然而以往研究并未对这两种理论的研究成果差异进行分析,因此本文对焊接圆钢管T型节点高温下静力性能稳态与瞬态分析方法的适用性进行了研究。首先,利用有限元软件ABAQUS分别建立T型管节点的稳态与瞬态分析模型,并将有限元计算结果与已有的试验数据进行对比,对比结果表明,有限元模型可以准确地模拟管节点的抗火性能,从而证明了有限元模型模拟抗火试验的可靠性。而后,对37个不同参数取值的T型管节点分别进行了稳态与瞬态有限元分析:根据有限元模型的计算结果,获取稳态模型恒温状态下管节点的极限承载力,然后将稳态模型的极限承载力作为已知荷载施加于瞬态模型,计算瞬态模型恒载状态下管节点的临界温度,通过对比稳态模型温度场温度与瞬态模型临界温度的不同,研究了高温下管节点静力性能稳态与瞬态分析方法的差异以及各参数对差异大小的影响规律。最后,采用弹性模量折减、屈服强度折减的计算方法估算了高温下管节点的极限承载力,然后将估算值与稳态分析以及瞬态分析的有限元计算结果分别进行了对比,分析了这两种折减方法计算高温下管节点极限承载力的可行性。此外,本文还通过T型圆钢管节点失效模式的不同,以及不同参数下管节点失效模式的变化,简要分析了各参数对T型圆钢管节点的失效模式的影响规律。研究表明:瞬态分析下管节点的临界温度均低于稳态分析下管节点的温度场温度;参数α、β、γ、τ、n、Tw对瞬态与稳态分析的差异均有影响,其中,α、β、γ、τ、n的影响作用较小且影响规律明显,Tw的影响作用较大但影响规律不明显;采用弹性模量折减的方法计算管节点高温下的极限承载力具有较高的准确性,但安全性不稳定;在选取的参数范围内T型圆钢管节点有三种典型的失效模式,即支管破坏、主管壁塑性破坏、主支管相贯区域破坏,α、β、γ、τ、n对节点破坏模式均有明显影响,且各参数对节点破坏模态的影响是相互耦合的。
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