【摘要】：新材料、新技術(shù)和新理論是土木工程發(fā)展的助推劑。隨著鋼材產(chǎn)量的不斷提高,生產(chǎn)工藝水平的不斷發(fā)展,加工制作技術(shù)的不斷革新,在建筑市場(chǎng)強(qiáng)烈需求驅(qū)動(dòng)下,采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼作為建筑結(jié)構(gòu)材料是近年來土木工程發(fā)展的新趨勢(shì)。已頒布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)和即將頒布的《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中均對(duì)高強(qiáng)鋼給出相關(guān)規(guī)定與設(shè)計(jì)條文,此為高強(qiáng)鋼的應(yīng)用提供了可靠技術(shù)支持。高強(qiáng)鋼在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能、建筑使用功能以及社會(huì)效益和環(huán)保效益等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),一些關(guān)乎國(guó)計(jì)民生且人員聚集的重大建筑(如高層辦公樓、展廳等)以及結(jié)構(gòu)中受力關(guān)鍵部位均大量采用了高強(qiáng)鋼材料。然而,近年來建筑火災(zāi)頻發(fā),給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來了嚴(yán)重危害,結(jié)構(gòu)的抗火性能研究顯得尤為重要。與普通碳素鋼相同,高強(qiáng)鋼抗火性能較為羸弱,而國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范中均尚無針對(duì)高強(qiáng)鋼的相關(guān)抗火設(shè)計(jì)條文,這對(duì)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用無疑是巨大的技術(shù)缺失。為了補(bǔ)充高強(qiáng)鋼抗火性能試驗(yàn)研究和計(jì)算理論,完善相關(guān)規(guī)范的高強(qiáng)鋼抗火設(shè)計(jì)條文,本文對(duì)無約束Q550高強(qiáng)鋼軸心受壓矩形柱抗火性能開展了試驗(yàn)研究和有限元模擬,揭示其在火災(zāi)下的行為反應(yīng)和破壞機(jī)理,給出相應(yīng)抗火計(jì)算公式。對(duì)國(guó)產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼材料開展了4個(gè)常溫試件和18個(gè)高溫試件的力學(xué)性能試驗(yàn)。其中,常溫下材料力學(xué)性能采用靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)完成,高溫下材料力學(xué)性能采用高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)完成。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)當(dāng)溫度為20℃和100℃時(shí),Q550高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服平臺(tái)較短,班慧勇提出的多折線本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好;(2)當(dāng)溫度高于100℃時(shí),Q550高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線不具有屈服平臺(tái),Ma等人提出的一段式本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好。最終,本文采用上述兩種本構(gòu)模型,為后續(xù)的有限元分析提供重要材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)�；诓牧狭W(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)8根無約束Q550高強(qiáng)鋼軸心受壓矩形柱抗火性能開展了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)主要考察荷載比n、長(zhǎng)細(xì)比λ、截面寬厚比H/t和截面高寬比H/B對(duì)高強(qiáng)鋼軸心受壓柱抗火性能的影響,揭示了火災(zāi)下高強(qiáng)鋼軸心受壓柱的受力性能和破壞模式。通過火災(zāi)試驗(yàn)獲取了各試件的爐溫-時(shí)間曲線、表面溫度-時(shí)間曲線、軸向位移-時(shí)間曲線、跨中側(cè)向位移-時(shí)間曲線、臨界溫度和最大軸向位移。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)荷載比n是影響其臨界溫度的重要參數(shù),荷載比n的增大會(huì)明顯降低試件臨界溫度;(2)荷載比n、長(zhǎng)細(xì)比λ、截面寬厚比H/t和截面高寬比H/B對(duì)火災(zāi)下試件最大軸向位移有著顯著影響。采用ABAQUS有限元軟件建立試驗(yàn)試件的精確有限元模型,對(duì)火災(zāi)下Q550高強(qiáng)鋼軸心受壓矩形柱的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬分析,再現(xiàn)試件火災(zāi)試驗(yàn)的全過程,考察其破壞過程與受力性能;將數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。采用精確的有限元模型對(duì)Q550高強(qiáng)鋼軸心受壓矩形柱抗火性能的6個(gè)影響因素(截面面積A、截面寬厚比H/t、整體彎曲缺陷幅值e_0、長(zhǎng)細(xì)比λ、荷載比n和截面高寬比H/B)進(jìn)行參數(shù)化分析,分析結(jié)果表明:(1)截面面積A、長(zhǎng)細(xì)比λ和荷載比n是影響試件臨界溫度的重要參數(shù),且荷載比n的影響最為顯著。(2)整體彎曲缺陷的有無對(duì)試件臨界溫度也有很大的影響,但缺陷幅值e_0的大小對(duì)試件臨界溫度影響不大。(3)試件寬厚比H/t和長(zhǎng)細(xì)比λ影響其最終破壞形態(tài)。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比λ=10時(shí),試件破壞時(shí)僅發(fā)生局部屈曲;當(dāng)寬厚比H/t≤21.33且長(zhǎng)細(xì)比λ≥50時(shí),試件破壞時(shí)表現(xiàn)為整體屈曲;在其余條件下,試件破壞時(shí)同時(shí)發(fā)生整體屈曲和局部屈曲。(4)當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比λ=30~90時(shí),試件軸向位移曲線在達(dá)到峰值后迅速下降,試件最大軸向位移和臨界溫度對(duì)應(yīng)的升溫時(shí)間相同;當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比λ≤20或λ≥100時(shí),試件軸向位移曲線在達(dá)到峰值后有短暫緩慢下降的過程,最大軸向位移和臨界溫度對(duì)應(yīng)的升溫時(shí)間不相同。(5)截面面積A、截面寬厚比H/t、長(zhǎng)細(xì)比λ、荷載比n和截面高寬比H/B對(duì)試件最大軸向位移有著顯著影響。在此基礎(chǔ)上,對(duì)截面面積A、長(zhǎng)細(xì)比λ和荷載比n三個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行耦合分析,耦合分析結(jié)果表明:當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比較小(λ≤50)時(shí),長(zhǎng)細(xì)比λ和荷載比n對(duì)試件臨界溫度的耦合作用較為顯著。根據(jù)不同長(zhǎng)細(xì)比條件下鋼柱的破壞特征,分別用截面平均應(yīng)力σ_(ave)和最大側(cè)向位移y_(max)作為火災(zāi)下高強(qiáng)鋼柱臨界狀態(tài)的判別準(zhǔn)則,通過理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬分析提出不同臨界狀態(tài)下Q550高強(qiáng)鋼軸心受壓矩形柱臨界溫度的計(jì)算公式。通過理論推導(dǎo),分別獲取高溫下高強(qiáng)鋼軸心受壓柱彈性階段三種軸向變形(軸向壓縮變形、彎曲產(chǎn)生的軸向變形和軸向膨脹變形)的計(jì)算公式,結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)公式進(jìn)行修正,提出火災(zāi)下Q550高強(qiáng)鋼軸心受壓柱最大軸向位移的計(jì)算公式。將公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,驗(yàn)證了計(jì)算公式的準(zhǔn)確性,為高強(qiáng)鋼柱抗火性能的后續(xù)研究提供了重要理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

州家電市場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)，15 分鐘后鋼結(jié)構(gòu)即發(fā)生整體坍塌，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過 1 億元。2013 年 1 月 1 日，杭州蕭山永成機(jī)械有限公司廠房發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)導(dǎo)致廠房整體倒塌，造成 3 名消防戰(zhàn)士犧牲。2013 年 9 月 2 日傍晚，溫州甌海區(qū)某海綿制品公司的工廠突發(fā)大火，造成 5 人遇難。2016 年 2 月 17 日，四川德陽(yáng)某泡沫廠發(fā)生火災(zāi)，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)廠房全部燒垮，所幸無人傷亡。2016 年，吉林長(zhǎng)春德惠市寶源豐禽業(yè)有限公司主廠房發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)導(dǎo)致部分鋼構(gòu)件軟化，約 200 人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 1.72億元。部分鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)如圖 1-2所示。（a）美國(guó)世貿(mào)大廈倒塌過程 （b）溫州家電市場(chǎng) 1號(hào)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)

（g）悉尼 Grosvenor Place 大樓 （h）休斯頓 Reliant Stadium圖 1-3國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋼應(yīng)用的典型工程案例與傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼相比，新的鋼材生產(chǎn)工藝（TMCR）高強(qiáng)鋼化學(xué)成分具有更高的潔凈度（即 S、P、N、O 等雜質(zhì)元素含量和碳），使高強(qiáng)鋼具有細(xì)化的晶粒組織，良好的塑性和較高的機(jī)械強(qiáng)度[13]；以 Nb 化學(xué)元素為代表的微合金化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳元素強(qiáng)化方式，在提高鋼材屈同時(shí)，也能改善鋼材的塑性和韌性，，降低含碳量。為此，國(guó)家發(fā)改委 2014 年的第 35 號(hào)文件《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》中第 34
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU391;TU352.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2633688