受火钢拱平面外弯扭屈曲研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘 要 随着现代建筑的发展，拱形钢结构在工程中的应用越来越广泛。但受限于钢拱结构 自身的抗火能力，一旦火灾发生，将对结构造成很大的威胁。在火灾高温的作用下，钢 拱可能因平面外支撑不足而发生弯扭屈曲。目前，针对受火灾高温的钢拱的平面外失稳 研究还较少，未能形成完善的理论体系，这限制了拱形结构在更多方面的应用。为完善 拱在火灾高温作用下屈曲行为的研究，增强钢拱结构在工程中的抗火能力，本文采用 ABAQUS有限元软件，针对受不同荷载以及复杂的边界条件的圆弧钢拱在火灾高温下的 平面外弯扭屈曲问题开展了一系列研究。 本文首先介绍了所采用的有限元分析方法，研究了不同几何缺陷对计算结果的影响， 并进行了网格收敛性分析。根据与本文研究对象相似的文献中的实验结果进行了有限元 验证，证明了本文所采用的有限元数值模型建立方法的正确性。随后针对受跨中集中载 荷与受全跨均布载荷的H型圆弧钢拱，得出了模型的载荷位移曲线，通过曲线获得了常温 下平面外弯扭屈曲临界载荷，并研究了拱的矢跨比与两种支座形式对临界载荷的影响。 随后根据所得的临界载荷，以三种不同载荷比对结构加载，并采用标准升温曲线对钢拱 整体升温，得到了模型在升温过程的位移变化曲线与温度位移曲线，得出了其临界温度， 研究了载荷比、矢跨比、支座形式对受火钢拱弯扭屈曲临界温度的影响。 采用了已验证的有限元数值方法，对复杂边界条件下受火钢拱的平面外稳定问题进 行了研究。将不同的复杂边界转化为不同转动刚度的模型，并通过改变边界处平面内与 平面外的转动刚度建立了大量的模型，进行了参数分析。研究了不同矢跨比钢拱常温下 弯扭屈曲临界载荷与边界的转动刚度的关系，随后分析了火灾高温下不同的边界转动刚 度对钢拱平面外弯扭屈曲临界温度的影响。根据参数分析的结果，总结了拱脚转动能力 对结构在火灾下抵抗失稳能力的规律。 介绍了已完成设计的实验方案，总结了钢拱抗火实验中的难点，并讨论了采用有限 元方法对实验过程中各部件的验证方法。对本文所完成的实验设计方案进行详细的分析， 验证了方案中各部件能够较好地完成实验工作。 关键词： 钢拱，弯扭屈曲，临界温度，火，数值仿真 I 山东建筑大学硕士学位论文 ABSTRACT With the development of modern architecture, steel arches are more and more widely used in engineering. However, due to the fire resistance of the steel arch structure, once the fire occurs, it will pose a great threat to the structure. The steel arch may torsion buckling in a fire due to insufficient out-of-plane support. At present, there are few studies on out-of-plane instability of steel arches exposed to fire. Failure to form a perfect theoretical system has limited the application of arched structures in more areas. To improve the research on the buckling behavior of the arch under the high temperature of the fire and enhance the fire resistance of the steel arch structure in the project, this paper uses ABAQUS finite element software to target the ci