钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响研究

摘要：

"9·11"事件发生后,火灾下钢结构倒塌研究得到了世界各国学者的广泛关注.钢材的物理、力学性能在高温下会显著降低,从而钢结构极易发生倒塌.因此,该文基于平面钢框架在单柱受火条件下的倒塌试验,应用大型商业有限元软件ABAQUS的显式动力分析模块,并采用梁单元对试验进行数值模拟,重点研究了钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响,提出了适用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的钢材高温应力-应变本构模型和热膨胀系数模型的建议.该文列举了常用的三种高温应力-应变本构模型,同时考虑应变率效应的影响,通过模拟结果与试验结果的差异对比,分析了各个模型应用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的有效性.理想高温应力-应变本构模型,会导致临界温度与失效模式模拟不准确,应用存在一定局限性;EC3高温应力-应变本构模型可较为准确地模拟准静态失效模式,但对于动力失效模式的模拟存在一定局限性;因此,对于准静态失效模式倒塌模拟,建议采用EC3或改进的EC3高温应力-应变本构模型;对于动力失效模式的倒塌模拟,建议采用改进的EC3高温应力-应变本构模型,并采用应变率效应增大系数(DIF)的方法以考虑应变率效应的影响.此外,通过四种钢材热膨胀系数模型的对比,进一步研究了钢材"相位变换"现象对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响.结果表明,虽然欧洲规范EC3给出了精细的热膨胀系数模型,但采用GB 51249取值的计算结果与试验符合更好,建议采用中国规范GB 51249的相关规定.

关键词：结构工程、钢框架、倒塌数值模拟、火灾、高温应力-应变本构模型、热膨胀系数模型

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分类号：TU352.5(建筑结构)

资助基金：国家自然科学基金项目51878506

在线出版日期：2019-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共14页

页码：24-36,78