（安全技术及工程专业论文）梁柱全焊接节点火灾响应特性有限元模拟研究.pdf

摘要 升温速率越慢，节点在降温阶段的抗火性能的下降也越不明显。 本文研究成果可为实际钢框架工程中的全焊接节点抗火设计提供参考和依 据。 关键词：火灾；全焊接节点；响应特性；有限元模拟；抗火性能；升温曲 线；降温速率 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa nk e yc o m p o n e n to fs t e e lf r a m es t r u c t u r a lb u i l d i n g ，b e a m - t o - c o l u m nj o i n t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm a i n t a i n i n gt h ei n t e g r i t ya n ds t a b i l i t yo f t h es t e e ls t r u c t u r e w d d e dc o n n e c t i o ni o i n to fb e a m t o c o l u m ni sw i d e l yu s e di ns t e e lf r a m es t r u c t u r a l b u i l d i n g i ti sa ni m p o r t a n tp r e r e q u i s i t ea n db a s i sf o rf i r e - r e s i s t a n td e s i g na n df i r e s a f e t ya s s e s s m e n to fs t e e ls t r u c t u r et os y s t e m a t i c a l l ya n da c c u r a t e l yu n d e r s t a n dt h e r e s p o n s eo f j o i n te x p o s e dt od i f f e r e n tf i r ec o n d i t i o n s i n t h i sp a p e rt h ea p p l i c a b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dw h i c hu s e di n w e l d e dc o n n e c t i o ni o i n tr e s e a r c hw a ss t u d i e df i r s t l y t h e na n y s yw a sa p p l i e dt o s i m u l a t et h e r m a la n ds t r u c t u r a lc o u p l i n gr e s p o n s eo fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n te x p o s e d t of i r e t h ef i r eb e h a v i o r o fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n tu n d e rd i f f e r e n t e l e v a t e d t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d t h ee f f e c to fs p e c i f i cp a r a m e t e r so nj o i n tw a s r e v e a l e d t h ef i r e r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n ta n d b o l t e d a n d w e l d e dj o i n tw a sc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h ee f f e c to ff i r e - r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c eo fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n ti nd i f f e r e n tf i r ee x p o s u r ea n df i r e r e t a r d a n t c o a t i n gw a sa n a l y z e d t h ef i r e r e s i s t a n c ep e r f o m a a n c eo fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n ta t c o o l i n gp h a s ew a se x p l o r a t o r ys t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ： 1 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dh a ds t r o n ga p p l i c a b i l i t y i nw e l d e d c o n n e c t i o nj o i n tr e s e a r c h 2 t h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r ec u r v e sw i t hd i f f e l e n tt e m p e r a t u r er i s e r a t e sc a n s i g n i f i c a n ta f f e c tf i r e r e s i s t a n c et i m eo fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n ti n f i r e t h ei n c r e a s e o fl o a dr a t i ow i l ll e a dt ot h ed e c r e a s eo fl i m i t e dt i m eu n d e rt h es a m ef i r ec o n d i t i o n t h ew e l d e dc o n n e c t i o ni o i n tw i t hs t i f f e n e r sc a ni m p r o v ef i r e r e s i s t a n c et i m e t h e f i r e _ r e s i s t a n c eo fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n ti sl f i g h e rt h a nt h a tb o l t e d - a n d w e l d e dj o i n t u n d e rt h es a m ee l e v a t e dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n 3 t h ed i f f e r e n tf i r ee x p o s u r ec a ns i g n i f i c a n ta f f e c tf i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e o fw e l d e dc o n n e c t i o nj o i n t ，t h ef i r e r e s i s t a n c et i m eo fj o i n te x p o s e dt of i r ei ss h o r t e r m a nt h a tb e a m c o l u m nj o i n te x p o s e d t of i r e t h ed i f f e r e n tf l f i c k n e s s e so f f i r e r e t a r d a n tc o a t i n gc a na l s os i g n i f i c a n ta f f e c tf i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f w e l d e d c o n n e c t i o ni o i m ，t h et h i c k e rf i r e - r e t a r d a n tc o a t i n gw i l li m p r o v e f i r e r e s i s t a n c et i m eo f j o i n t 4 t h ed i f f e r e n tc o o l i n gr a t e sc a ns i g n i f i c a n ta f f e c tf i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f a b s t r a c t w e l d e dc o n n e c t i o nj o i n t ，t h es l o w e rt h ec o o l i n gr a t ei s ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r eo f j o i n ti s ，a n dt h el a r g e rt h ed e f o r m a t i o no fj o i n ti s ，a n dv i c ev e r s a t h ed i f f e r e n t t e m p e r a t u r er i s er a t e sc a ns i g n i f i c a n ta f f e c tf i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ea tc o o l i n g p h a s e t h ef a s t e rt h et e m p e r a t u r er i s er a t ei s ，t h ef i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ea t c o o l i n gp h a s ed e c r e a s e db e c o m e s m o r eo b v i o u s ，a n dv i c ev e r s a a l lt h e s er e s u l t so f f e r e dt e c h n i c a lr e f e r e n c e sf o rf i r e r e s i s t a n td e s i g no fw e l d e d c o n n e c t i o nj o i n ti ns t e e lf r a m es t r u c t u r a lb u i l d i n g k e yw o r d s ：f i r e ；w e l d e dc o n n e c t i o nj o i n t ；r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ；f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ；f i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ；t e m p e r a t u r er i s ec u r v e ；c o o l i n gr a t e i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：墨塑，签字只期： 丝厶笸! 翌 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 l q 公丌口保密( 年) 作者签名：p 冬虫导师签名： 签字同期： 字乒m 签字同期：j 到垃吐 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 钢结构以其强度高、自重轻、良好的延展性和抗震性、施工周期短等特点， 在世界建筑业内得到广泛的应用，特别是在高层、超高层及大跨度建筑中更显示 出强大的生命力。近年来，随着我国经济的快速发展，城市化和工业化进程不断 加快，我国的钢结构建筑发展也非常迅速，比如国家太剧院和北京奥运会主体育 场鸟巢，都是钢结构技术的具体应用。下图是奥运主体育场鸟巢的效果图。 幽1 l 奥运主体商场鸟巢效果吲 然而，钢结构具有一个严重的缺陷，即钢构件的耐火性能很差。普通钢材在 4 0 0 时屈服强度下降至室温下强度的一半，在6 0 0 时基本丧失全部强度和刚 度i ”。因此，钢结构在火灾中很容易发生破坏甚至倒塌。最具代表性的钢结构建 筑由于火灾而导致坍塌的案例是美国纽约世贸大厦，造成大量人员伤亡和严重的 财产损失。美国政府随后列此次事故进行大规模调查研究，晟后得出结论之一就 是：飞机的撞击只是对建筑的结构造成一定的损伤，但并不足以使大厦整体坍塌， 而世贸大厦晟终倒塌的重要原因是飞机撞击后倾洒的航空煤油引发的大规模燃 烧，使建筑结构在较短时自j 内失去其刚度和强度口i ，无法承受自身重量而倒塌 下图是飞机撞击世贸大厦后引起的火灾。 第一章绪论 幽l2 飞机撞击世鲋大堙后引起的火灾 钢结构耐火性能差的缺陷也引起了许多学者和工程技术人员的兴趣，纷纷投 入到对钢结构抗火性能的研究中。从单一的构件如对梁、柱、节点等的研究，到 大型整体结构研究，从实体试验研究到有限元分析研究研究越来越广泛和深入。 而在钢结构建筑中，梁柱节点是框架结构中的关键部位，对钢结构整体的安全性、 完整性和稳定性有着至芒重要的作用。在火灾发生时，节点的破坏可能导致整个 建筑结构的变形甚至垮塌。各类全尺寸试验也表明，节点在维持结构内力平衡、 影响应力分布方面发挥着重要作用。 鉴于梁柱节点在钢结构建筑中的重要作用，有必要对粱柱节点在火灾中热一 力耦合作用下的性能变化进行更加深入的分析，可以通过试验和有限元分析的方 法深入研究梁杠节点在各种受火方式，不同厚度防火滁层和不同刊降温速率下的 性能变化，研究得出的结论可以更好地应用于工程实践中，为钢结构抗火设计提 供技术参考。 1 2 梁柱节点分类 粱柱节点是指粱柱结台的部分，也被称为粱柱连接。粱柱节点在钢框架中起 着关键的作用：它既可以有效的承受重力、外界风载等外部荷载，又能在地震中 产生塑性变形，有效吸收和敞失能量，保证整体结构的稳定性。所咀i 兑梁柱节点 是建筑结构中维持整体结构稳定的关键一环。 e u r o c o d e 3 3 根据连接的刚度将连接划分为刚性连接、半刚性连接和柔性连 2 第一章绪论 接，如图1 3 所示，其中：丽= m m ，万= q 啡( m ，和吃分别为梁的塑性弯矩 和塑性转角) 。 2 3 1 4 图1 3e u r o c o d e 3 节点分类 刚性节点具有较高的抵抗弯矩的能力，梁柱之间没有相对转角，而且能显著 减少梁的内力，同时因其构造简单而广泛采用。 根据连接构造的不同，刚性节点又可分为翼缘连接和腹板连接，而翼缘连接 按照构造形式可分为以下几种【4 】： 全焊节点梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连，梁腹板也焊在柱翼缘 上。 翼缘焊接节点梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连，梁腹板通过高强 螺栓与焊在柱翼缘的剪切板相连。 翼缘连接节点墚翼缘不直接与柱翼缘相连，而是焊接或用螺栓连接在一 块事先焊在柱翼缘的钢板上，梁腹板可以使焊接或栓接。 端板连接梁翼缘和腹板都焊接在一块较厚的端板上，短板用螺栓与柱翼 缘相连。 其中，梁上下翼缘采用对接焊缝与柱翼缘相连，粱腹板也焊在柱翼缘上的全 焊接节点和综合采用焊接、螺栓连接的栓焊节接点，是现有钢框架结构中应用较 为广泛的两种连接形式。下图是两种节点的示意图。 第一章绪论 ( a ) 全焊接节点 1 3 钢结构抗火 ( b ) 枪焊接节点 图1 4 仝焊接节点和枪焊接节点的示意图 对于建筑钢结构抗火性能的研究，首先需要掌握建筑火灾的发展过程，然后 根据几个关键性指标，比如耐火时间、失效判据和临界温度等等，来衡量钢结构 抗火性能的好坏。 1 3 1 建筑火灾发展过程 建筑火灾的安全目标主要包括以下两币中【5 1 ：l 、减少人员死亡，即保证建筑 物内居民及着火建筑相邻建筑内居民的安全；2 、减少着火建筑及相邻建筑的财 产损失。 对于通常的可燃固体火灾，室内火灾大体分为3 个主要阶段，即火灾初期增 长阶段、火灾的充分发展阶段和火灾衰减阶段【7 1 。 4 第一章绪论 图1 5 室内火灾中的温升曲线 在火灾初期增长阶段，火区的体积不大，总的热释放速率不高，室内的平均 温度还比较低。如果房间的通风足够好，火区将会发展到轰燃阶段，此时表现在 曲线上就是温度陡然上升。 在火灾充分发展阶段，热释放速率逐渐达到最大值，室内温度也达到最高， 通常会在8 0 0 以上。这个阶段会对建筑物的结构造成很大伤害，产生的烟气也 会对室内的人员造成危害。 在火灾减弱阶段，一般认为，此阶段是从室内平均温度降到峰值的8 0 左右 时开始的。由于室内物品燃烧后释放的热量不会很快散失，室内的平均温度还是 很高，建筑结构仍然承受着室内较高的温度荷载。 1 3 2 标准火灾温升曲线 在钢结构试验和有限元分析中，温升曲线是描述外部温度变化的重要条件。 但在早期研究中，有多种温升曲线供学者和工程技术专家进行选择。为了统一评 价结构和构件的抗火性能，国际标准化组织( 1 s o ) 在1 9 9 0 年给出了标准温度 随时间的变化曲线【8 】： 丁一瓦= 3 4 5 l g ( 8 t + 1 ) ( 卜1 ) 式中：丁着火房间空气温度( ) ： 第一章绪论 瓦环境初始温度( ) ； f 升温时间( m i n ) 在我国的钢结构防火技术规范中，也按照此公式作为室内火灾空气升温曲线 来对钢结构建筑进行抗火设计。通过多年的科研和工程应用，标准火灾温升曲线 取得了很好的效果。 然而，随着科技的不断进步，研究的不断深入，火灾场景的不断复杂等等因 素，标准火灾温升曲线也表现出其的局限性。研究表明【9 1 ，真实火灾与火灾荷载 密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关，标准火灾曲线并不能准确反映火灾 的真实情况。 近年来，随着性能化设计( p e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g n ) 概念的提出，越来越 多的学者提出并着手用更科学的能够代表建筑本身边界条件的自然火灾曲线代 替标准火灾温升曲线，来进行结构防火设计【l o 】。 1 3 3 自然火灾温升曲线 为了更好地反映在真实火灾条件f ，建筑结构所遭受的破坏程度，e c 3 3 1 、 e c c s 1 l 】和b s 5 9 5 0 ：p a r t 8 2 】等规范也允许结构火灾设计时采用实际的火灾升温 曲线。 目前在研究建筑结构火灾中应用较为广泛的自然火灾温升模型是c r b a r n e t t 1 0 】基于牛顿冷却定律得到的经验模型。该模型是对卡丁顿试验中获取的 火灾升温曲线进行拟合，并且又对许多学者所做的试验数据进行同样的处理，得 到的结果同试验数据非常吻合，结果令人信服。所以c r b a r n e t t 提出了并命名 这个自然火灾模型曲线为“b f d 曲线”。 “b f d 曲线”的基本方程为： t = t t l + 瓦。e 枷一h 一帆 ( 1 - 2 ) 其中，丁任意时刻的温度( ) ； 兀。在以上产生的最高温度( ) ： e - 坏境温度( ) ； 6 第一章绪论 。，l 。发生的时间( m i n ) ； f 火灾持续时间( m i n ) ； 墨韫度一时间曲线的形状常数； 可以看出，定义“b f d 曲线”只需要三个参数：空气最高温度瓦。、最高温度 发生的时间气。，及曲线的形状常数。 研究人员可以根据具体火灾场景中可燃物的数量、性质、分布情况及开口状 况等等限制条件计算出空气的最高温度和最高温度发生的时间，利用高温分解系 数确定曲线的形状系数，从而得到比较符合现实状况的温升曲线模型。 1 3 4 钢结构抗火失效判据 在考虑钢结构火灾时的失效情况时，通常考察钢结构所承受的极限状态的强 度和稳定性如何。在钢结构抗火试验中，主要测量构件内的温度分布，构件变形 与受火时间的关系，构件所受应力变化等。 r o b e r t s o n 和b a n 1 3 1 的研究表明，对于受弯构件和轴向受力构件，当其在火 灾下的特征变形量或变形速率达到按下式确定的数值后，就将迅速发生破坏，该 准则也称为r o b e r t s o n r y a n 准则，目前为绝大多数抗火试验所采纳。 对于受弯构件( 梁板) 一d 6 上 ( 1 3 ) 一 一 ( 1 。j ) d f9 0 0 h 6 上：或艿上 ( 1 - 4 ) 8 0 0 h3 0 式中，6 为构件的最大挠度，m m ；，为构件计算跨度，m m ；h 为构件截面 高度，m m ；t 为时间，m i n 。 对于轴向受力构件 堂3 ( 1 5 ) d t 艿 12 0 ( 1 6 ) 式中，6 为构件的轴向压缩变形，m m ；h 为构件的长度，m 。 7 第一章绪论 对于节点抗火试验来说，。通常认为当其相对转角超过6 0 或0 1 r a d 时( 此时 刻梁的挠度到达l 3 0 ) ，就认为其达到极限状态【1 4 】。 1 3 5 耐火极限和临界温度 耐火极限是指在标准耐火试验条件下建筑结构( 构件) 从火灾发生到结构( 构 件) 达到抗火承载力极限状态的时间，主要标志是结构( 构件) 失去完整性、稳 定性或隔热性。 结构( 构件) 达到极限状念时的温度被称为临界温度。一般状况下，结构( 构 件) 内部各处的温度并不相同，通常采用结构( 构件) 界面的平均温度或是用一 个具有代表性的部位温度作为其临界温度值。 1 4 国内外研究现状 鉴于梁柱节点在钢结构建筑中的重要作用，国内外许多学者纷纷投入到对梁 柱节点抗火性能的研究之中。对于钢结构节点的研究大体分为两种方式：实体试 验研究和有限元分析，具体研究现状如下。 1 4 1 试验研究 对梁柱节点火灾试验的主要目标在于建立独立节点的弯矩( 温度) 一转角关 系，从而找到钢结构节点的耐火时间和临界温度。 c t i c m 【1 5 】在1 9 7 6 年首次针对节点的抗火性能进行试验研究，他选用六种不同 类型的节点，试验目的是研究高温下高强螺栓的性能，但在试验中节点的其它构 件先于螺栓失效，因此并未得到节点抗火性能的相关数据。 l a w s o n t l 6 】首次对高温下梁柱节点火灾性能进行了测试，结果表明，梁柱节 点在火灾中具有的显著的弯矩承载力，可以达到常温时设计弯矩承载力的2 3 。 l a w s o n 基于试验结果提出了简支钢梁抗火设计中考虑通过节点传递的弯矩的简 单规则。此次节点试验尽管得到的数据有限，但却提供了最早的用于节点有限元 分析的基础数据。 a 1 j a b r i 1 7 】采用恒载升温的方法，研究了构件尺寸、端板类型、厚度等对平 8 第一章绪论 齐端板柔性端板节点火灾性能的影响，并给出了各种节点的弯矩转角温度曲 线。 隋炳强【18 1 、王卫永【1 9 】等对半刚性端板连接和刚性连接节点进行了试验研究 和非线性有限元分析，指出节点构造特性、焊接质量等对节点抗火性能有影响作 用。 李晓东【2 0 】等对不同节点形式在火灾中的性能进行了试验研究，指出火灾下 节点破坏的现象和节点位置、连接形式、是否带加劲肋有关。 胡军【4 】等对梁柱栓焊节点在火灾中的响应特性进行了试验研究和非线性有 限元分析，指出火灾下栓焊节点的破坏和火灾温升模型、梁端荷载比、节点几何 参数有关。 总体来说，对于梁柱节点抗火性能的试验研究数量有限，这主要是因为：一 方面节点抗火性能试验的成本非常高，重复性试验的代价很高；另一方面是试验 条件本身的限制，比如加热炉尺寸的大小等等。由于这些客观因素的制约，对于 梁柱节点抗火性能的有限元分析得到越来越广泛的应用。 1 4 2 有限元分析 对钢结构节点的有限元分析就是根据对现实火灾条件的合理假设，选择较为 准确的数据和参数，利用有限元软件对梁柱节点抗火性能进行研究。这种研究方 法具有成本低、重复性好等优点，经过近年来众多研究学者对现实火灾条件的深 入研究和有限元分析软件的不断完善，有限元分析结果越来越能够准确的反映实 际火灾中钢结构结构节点在热力耦合作用下的变化情况。 l i u 2 1 1 首次采用有限元法对高温下梁柱节点的抗火性能进行了研究，此次分 析中采用八结点壳结构单元对梁、柱、端板、节点等进行模拟，考虑了火灾中材 料非线性、非均匀热膨胀及大变形的影响，随后开发了有限元分析模型f e a s t 用来预测高温下不同节点的性能。 r a h a m 2 2 】采用a n s y s 软件对t 形节点及端板节点的高温特性进行了研究。 分别采用了两种实体单元及预作用单元、接触单元分别对梁、柱、端板、螺栓进 行模拟。 s a r r a j t 2 3 1 和a l _ j a b f i 2 4 1 等采用a b a q u s 软件对端板节点进行模拟。 o 第一章绪论 隋炳强【1 8 】、王卫永【1 9 1 2 5 1 、胡军【4 】等也对各自的试验内容进行了非线性有限 元分析，得出的分析结果与试验结果有较好的相关性，表明有限元分析方法可行， 为研究梁柱节点在不同火灾条件下的结构行为提供了实用方法。 1 4 3 现有研究的不足 尽管国内外的许多学者已经针对钢结构梁柱节点开展了许多有价值的研究 工作，并取得很多的成果，但在节点研究的某些方面仍有许多不足之处，有待于 深入研究和进一步完善： 1 、从上述研究现状可以看出，对于目前广泛应用于建筑中的全焊接节点的 研究较少，有必要对全焊接节点的抗火性能进行系统深入的研究； 2 、现有梁柱节点的研究大都集中在单一的标准火灾曲线上，而对更符合真 实火灾发展的自然火灾曲线下的节点响应特性研究较少，有必要对节点在自然火 灾曲线下的响应特性进行研究； 3 、前人研究学者对于不同受火方式下对建筑构件抗火性能的研究主要集中 于钢梁【9 1 、柱【1 3 】等构件，而针对梁枉书点在不同受火方式下抗火性能的研究很少， 有必要进行深入研究； 4 、目前很少有针对防火涂料对钢结构节点进行防火保护的研究，有必要深 入研究防火涂层对节点抗火性能的影响； 5 、目前还没有关于梁柱节点降温阶段方面的研究，不同降温速率对其应力 应变的影响还有待研究；此外，在现实生活中，由于火源种类、火灾荷载等的不 同，导致火灾时的升温速率有很大差异，不同的温升速率对梁柱节点在火灾降温 阶段的性能影响如何，也有待于深入分析。 1 5 本文研究工作 根据目前的研究不足，本文针对梁柱全焊接节点的抗火性能进行深入分析， 研究目标和研究的主要内容如下。 l o 第一章绪论 1 5 1 研究目标 1 、分析验证有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性； 2 、运用有限元分析方法比较全焊接节点与栓焊接节点两种不同连接方式在 相同火灾条件下的差异； 3 、揭示全焊接节点在不同升温条件、不同受火方式、不同厚度防火涂层和 不同降温速率条件下的响应特性； 4 、研究成果为钢框架中全焊接节点的抗火设计提供参考和依据。 1 5 2 研究内容 在确定了本文研究目标的基础上，确定本文的研究内容为： 1 、利用前人所完成的钢结构全焊接节点试验进行了有限元模拟的初步验证， 分析验证有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的适用性； 2 、采用有限元分析方法，运用a n s y s 软件对梁柱全焊接节点试件进行模 拟计算，分析不同升温条件下全焊接节点的火灾行为，揭示特定参数对全焊接节 点的火灾响应特性，对比分析全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能； 3 、利用有限元分析方法建立具有防火涂层的有限元模型，并设计分析方案 研究不同受火方式对全焊接节点抗火性能的影响，研究不同防火涂层厚度对全焊 接节点抗火性能的影响； 4 、利用有限元分析方法建立了模型，研究不同降温速率对梁柱全焊节点抗 火性能的影n 向，同时研究不同升温条件对节点降温段抗火性能的影响。 1 5 3 研究思路 采用前人所做的试验对有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中 的适用性进行验证，在此基础上对梁柱全焊接节点抗火性能各方面进行深入研 究，图1 6 是本论文整体研究思路示意图。 第一章绪论 1 5 4 本文章节安排 图1 6 研究思路示意图 根据本文的研究内容和研究思路，确定本论文的章节安排如下： 第1 章是本文的绪论，主要介绍本文的研究背景、梁柱节点的分类方式、国 内外对于钢结构节点的研究现状以及本文的研究目标、研究内容和研究思路。 第2 章主要介绍结构钢在高温下的热工性能和力学性能，为接下来的试验研 究和有限元分析奠定基础。 第3 章首先介绍了有限元基本理论，对前人所完成的钢结构全焊接节点试验 进行了有限元模拟验证，对有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究中的 适用性进行分析验证；然后运用a n s y s 软件对梁柱全焊接节点试件进行模拟计 算，分析了不同升温条件下全焊接节点的火灾行为，揭示了特定参数对全焊接节 点的火灾响应特性，对比分析了全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能。 第4 章利用有限元分析方法，首先建立了具有防火涂层的有限元模型，并设 计分析方案；然后分析了不同受火方式对全焊接节点抗火性能的影响；最后讨论 了不同防火涂层厚度和不同温升条件对全焊接节点抗火性能的影响。 第5 章利用有限元分析方法建立了有限元模型，并选取了不同的降温速率； 其次设计分析方案，研究了不同降温速率对梁柱全焊节点抗火性能的影响；最后 探索性的研究了不同升温条件对节点降温段抗火性能的影响。 第6 章回顾了本文的主要研究结论，总结了本文的创新点，并提出下一步的 1 2 第一章绪论 工作展望。 第一章绪论 参考文献： 【1 i 李国强蒋守超林桂祥钢结构抗火计算与设计【m 】北京：中国建筑工业出版社。1 9 9 9 【2 】s s h y a ms u n d e r w o r l dt r a d ec e n t e ri n v e s t i g a t i o ns t a t u s r b u i l d i n ga n df i r er e s e a r c h l a b o r a t o r y , n i s t , 2 0 0 4 【3 e c 3 e u r o c o d e3 ：d e s i g no fs t e e ls t r u c t u r e s - p a r t1 2 ：g e n e r a lr u l e s - s t r u c t u r a lf i r ed e s i g n s e u r o p e a nc o m m i t t e ef o rs t a n d a r d i z a t i o n ，d de n v1 9 9 3 - 1 2 ：2 0 0 1 ，c e n ，b r u s s e l s ，2 0 0 1 【4 】胡军梁柱栓焊混合边：竹点火火响应特性研究【d 】中国科学技术人学博士学位论文2 0 0 9 【6 】s t e e la n df i r ee n g i n e e r i n g ：ag l o b a la p p r o a c h r ，s t e e lp r o m o t i o nc o m m i t t e eo fe u r o f e r , b e l g i u m ，19 9 0 【7 】霍然，胡源，李元洲建筑火灾安全1 ：样导论 m 】合肥：中国科学技术人学出版社，2 0 0 9 【8 】i s o d r a f to f p r o p o s e dr e v i s i o nt oi s 0 8 3 4 ，1 9 9 1 9 y a ob i n ，c a ix i n ，z h o uy u q i n ，c h e nc h a n g k u n c o u p l i n gt h e r m a la n dm e c h a n i c a le f f e c to n s t r u c t u r a lf i r es a f e t y j 火火科学，2 0 0 7 ，16 ( i ) ：6 0 6 6 【1 0 】c r b a r n e t t b f dc u r v e an e we m p i r i c a lm o d e lf o rf i r ec o m p a r t m e n tt e m p e r a t u r e s j f i r e s a f e t yj o u m a l ，2 0 0 2 ；3 7 ：4 3 7 - 4 6 3 11 】e c c s d e s i g nm a n u a lo nt h ee u r o p e a nr e c o m m e n d a t i o nf o rt h es a f e t yo fs t e e ls t r u c t u r e s 1 9 8 5 【1 2 】b s 5 9 5 0 - 8 ：2 0 0 3 s t r u c t u r a lu s eo fs t e e l w o r ki nb u i l d i n g - p a r t 8 ：c o d eo fp r a c t i c ef o rf i r e r e s i s t a n td e s i g n s b r i t i s hs t a n d si n s t i t u t i o n ( b s i ) ，b r i t i s hs t a n d a r db s ，2 0 0 3 1 3 r y a n ，j va n da er o b e r t s o n ：p r o p o s e dc r i t e r i af o rd e f i n i n gl o a df a i l u r eo f b e a m s f l o o r sa n d r o o fc o n s t r u c t i o n d u r i n gf i r et e s t s j ，j o u r n a lo fr e s e a r c ho ft h en a t i o n a lb u r e a uo f s t m r d a r d s ，w a s h i n g t o n d c ，19 5 9 ，6 3 ( 2 j 【1 4 】t c h l i u e f f e c to fc o n n e c t i o nf l e x i b i l i t yo nf i r er e s i s t a n c eo fs t e e lb e a m s j jc o n s t r u c t s t e e lr e s 19 9 8 ，4 5 ( 1 ) ：9 9 118 【15 k r u p p aj r r s i s t a n c ee l lf e ud e sa s s e m b l a g e sp a rb o u l o u s c t i c mr e p o r t ，d o c u m e n tn o 1013 - 1 ，c e n t r et e c h n i q u ei n d u s t r i a ld el ac o n s t r u c t i o nm e t a l l i q u e ，s t r & n yl e sc h e v r e u s e ， 16 】r m l a w s o n ，b e h a v i o u ro fs t e e lb e a m - t o c o l u m nc o n n e c t i o n si nf i r e j s t r u e te n g r6 8 ( 1 9 9 0 ) ( 1 4 ) ，2 6 3 - 2 7 1 【17 】k s a l j a b r i ，t l e n n o n ，1 w b u r g e s sa n dr j p l a n k b e h a v i o ro fs t e e la n dc o m p o s i t e b e a m - c o l u m nc o n n e c t i o n si nf i r e j ，jc o n s ts t e e lr e s4 6 ( 19 9 8 ) ( 1 - 3 ) ：18 0 1 4 第一章绪论 1 8 】隋炳强钢结构中节点火灾行为的试验研究及有限元分析【d 】青岛理工大学硕士学位 论2 0 0 5 1 9 】王卫永等钢结构节点火灾下的升温试验研究和理论分析 j 】青岛理工大学学报， 2 0 0 6 ，2 7 ( 2 ) ：3l 一3 4 【2 0 】李晓东h 型截面钢框架抗火性能的试验研究【d 】两安建筑科技人学博十学位论文，2 0 0 0 【2 1 t c 。h l i u f i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n go f b e h a v i o u ro fs t e e lb e a m sa n dc o n n e c t i o n si nf i r e j j c o n ss t e e lr e s3 5 ( 1 9 9 6 ) ( 3 ) ：1 8 1 1 9 9 【2 2 】r r a h m a n ，r h a w i l e ha n dm m a h a m i d 。t h ee f f e c to ff i r el o a d i n go nas t e e lf r a m ea n d c o n n e c t i o n i n ：c a b r e b b i aa n dw p d ew i l d e ，e d i t o r s ，h i g h - p e r f o n n a n c es t r u c t u r e sa n d m a t e r i a l si i ，w i tp r e s s ( 2 0 0 4 ) ：3 0 7 - 316 2 3 s a 玎a jm ，b u r g e s sl w , d a v i s o nj b ，p l a n kr j f i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n go ff i n p l a t es t e e l c o n n e c t i o n si nf i r e c i n ：p r o c e e d i n g so ft h ef o u r t hi n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po ns t r u c t u r e si nf i r e ， a v e i r o ，p o r t u g a l ，2 0 0 6 ：315 3 2 6 【2 4 】k s a 1 - j a b r i ，a s e i b ia n da k a r r e c h m o d e l i n go fu n s t i f f e n e df l u s he n d p l a t eb o l t e d c o n n e c t i o n si nf i r e 【j 】，jc o n s ts t e e lr e s ，6 2 ，2 0 0 6 ：151 15 9 【2 5 】千卫永，董毓利，隋炳强焊接钢框架边= 肖点抗火性能试验【j 】东南人学学报( 自然科学 版) ，2 0 0 7 ，3 7 ( 2 ) ：2 4 0 2 4 4 1 5 第二章结构钢高温特性 第二章结构钢高温特性 通常在对钢结构进行高温试验研究之前，要对结构钢的高温特性进行全面的 了解，而且在对钢结构进行有限元分析时，也需要输入合理的特性参数，爿能有 效提高分析的准确性。本章将对结构钢的热工性能和力学性能进行全面的介绍。 2 1 结构钢的热工性能 结构钢的热工性能通常包括导热系数、比热容、热膨胀系数和密度等，具体 介绍如下。 2 1 1 导热系数 钢作为良好的导热体，具有较大的导热系数，总体而言，钢的导热系数随温 度的升高而减小，以下是各国规范中给出钢的导热系数的取值： 欧洲规范e c 3 1 】给出的导热系数是： 以= 5 4 - 3 3 3 x 1 0 也互w ( m 。