柔性剪力板连接火灾下的鲁棒性及其组件模型研究

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传统的基于单个构件的“处方式”和简单性能化结构抗火设计方法,不能反映构件间的相互作用,因而不能反映整体结构真实的火灾行为。基于整体结构火灾行为的性能化抗火设计方法越来越受到人们的重视。连接是钢框架结构的关键组成部分。火灾中连接不仅受剪力和弯矩,还受到轴力的作用,连接在这些作用下的刚度影响着结构的内力分布,而连接良好的承载能力和延性又是防止结构连续倒塌的重要因素。已有的火灾下连接性能的研究集中于半刚性连接的弯矩-转角-温度关系,不能描述连接在复杂受力状态下的行为。因此,建立能够描述连接在常温和高温下,在剪力、弯矩和轴力共同作用下的刚度、承载能力和延性的模型,是进行整体结构火灾行为分析、提高连接和结构鲁棒性的基础。本文对常用的钢框架柔性剪力板连接的火灾鲁棒性进行了研究,并建立了其组件模型。主要工作包括以下几个方面:(1)介绍了柔性剪力板连接在火灾下的鲁棒性试验,获得了连接在常温和高温下,在剪力、轴力和弯矩共同作用下的承载力、延性、受力-变形关系等数据以及连接的失效模式,对连接承载力随温度的折减规律进行了分析,并对BS5950-1:2000和EN1993-1-8:2005控制柔性剪力板连接失效模式的设计方法进行了评估。(2)提出了建立火灾下柔性剪力板连接三维实体非线性有限元模型的方法,详细讨论了分析类型和求解策略的选择、材料高温性能的定义、单元类型的选择以及接触的定义,并进行了网格收敛分析,初步验证了有限元建模方法的正确性。(3)对连接火灾鲁棒性的试验进行了有限元分析,通过和试验结果的对比,进一步验证了有限元建模方法的准确性。此外,有限元分析还获得了试验难以测量的连接应力分布、接触力等结果,并据此对连接的失效机理和连接中各螺栓的受力进行了分析。(4)对不考虑摩擦时影响螺栓孔承压组件和螺栓受剪组件力学性能的各参数进行了有限元分析,提出了常温及高温下螺栓孔承压组件的极限承载力、初始刚度和螺栓受剪组件的极限承载力、剪切刚度的计算方法,并分别建立了两个组件的受力-变形模型。(5)对考虑摩擦时梁腹板螺栓孔承压组件的摩擦力进行了有限元分析,提出了摩擦力和组件受力之间的关系,并据此对搭接连接组件模型进行了等效,最终建立了柔性剪力板连接的组件模型。(6)利用已建立的柔性剪力板连接组件模型对连接火灾鲁棒性试验进行了模拟,验证了连接组件模型的准确性及计算的高效性。(7)探讨了柔性剪力板连接组件模型在提高连接和结构火灾鲁棒性方面的应用,提出了控制连接在常温及高温下失效模式的设计思路,并分析了连接组件模型在整体结构抗火分析中应用的可行性。
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