火灾下钢框架柔性剪力板连接的组件模型及其鲁棒性研究

The structural members' behaviour under standard fire test condition cann't reflect the real behaviour when they are in the whole structure, understanding the whole structure's behaviour in fire is of great significant to improve the safety level of fire resistance design and reduce fire protection cost. Connections are key components in steel-framed structures, by which the interactions between structural members are transmitted. Therefor, establishing connections' simple model that can be applied in whole structure's fire resistance analysis is the principle question to investigate whole structure's behaviour in fire. Connections' component model can solve this problem perfectly. This project will take fin plate connections as research objects. According to complicate force changes that connections are undergone in fire, the behaviour of bolt hole in bearing component and bolt in single shear component , which are under ambient and high temperature and subjected to cycle loading，will be investgated by meas of tests and finit element modelling. Combined with theoretical analysis, the force-displacement functions of two components will be proposed, and the component model of fin plate connection will be established. Then, the component model of fin plate connection will be applied in the parametric studies of sub-framed structures in fire, the design methods to improve fin plate connections' robustness will be proposed.

标准耐火试验条件下的单个构件不能反映其在整体结构中的火灾行为，了解整体结构的火灾反应，对于提高结构抗火设计的安全水平、降低结构防火保护成本都具有重大意义。连接是钢框架结构的重要组成部分，火灾下构件间由于热膨胀而引起的相互作用通过连接来传递。因此，建立能够应用于整体结构抗火分析的连接简化模型，是研究钢框架整体结构火灾行为需要解决的首要问题。连接的组件模型能够很好的解决这个问题。本项目以常用的柔性剪力板连接为研究对象，考虑到连接在火灾中复杂的受力变化，开展螺栓孔承压组件、螺栓受剪组件在常温及高温下，在往复荷载作用下受力性能的试验与有限元模拟研究，并结合理论分析，提出描述两种组件受力-变形关系的函数模型，构建柔性剪力板连接的组件模型。然后，将连接的组件模型应用到子框架结构抗火的有限元分析当中，提出提高连接火灾鲁棒性的设计方法。

连接是钢框架结构的关键组成部分。连接在火灾中受到随火灾过程不断变化的轴力，使得部分组件受到往复荷载的作用，已有的非线性弹性的受力—变形关系模型不能用来预测此种情况下连接的行为。因此，本项目开展柔性剪力板连接组件在常温及高温下，在往复荷载作用下的受力—变形关系模型的研究，对进一步完善柔性剪力板连接的组件模型，提高连接的鲁棒性有重要的理论意义和社会价值。.本项目主要研究内容包括：（1）钢框架剪力板连接组件在常高温、往复荷载作用下受力—变形关系的试验研究、有限元分析及其模型构建；（2）柔性剪力板连接组件模型的构建与验证；（3）钢框架剪力板连接火灾鲁棒性的分析。.本项目用数值模拟、理论分析和模型试验等方法，通过对柔性剪力板材料性能、几何尺寸等诸多参数的分析研究，并结合国内外火灾条件下钢结构的研究，得到的主要结论有：.（1）卸载过程中剪力板连接的受力—变形关系为线性关系，且在不同变形量下卸载时其卸载刚度相同。.（2）螺栓孔承压组件卸载刚度与材料的弹性模量、板厚、端距正相关，当端距超过3倍螺栓直径时对该卸载刚度的影响较小。螺栓受剪组件卸载刚度与螺栓材料的弹性模量以及螺栓有效面积正相关。两组件卸载刚度均与材料表面抗滑移系数有关，且在不同温度下的折减即为各自材料弹性模量的折减。.（3）提出了往复荷载作用下柔性剪力板连接的组件模型，并利用ABAQUS的connector连接单元模拟了该组件模型，准确预测了剪力板连接在往复荷载下的力学行为，较三维实体模拟提高了分析效率。.（4）探讨了在常高温下提高连接拉结承载力和延性的鲁棒性设计方法。将接的失效模式应设计为螺栓孔承压破坏，可采用高等级螺栓、对螺栓进行防火保护等措施使螺栓受剪组件承载力大于螺栓孔承压组件承载力；可采用槽型螺栓孔等措施提高连接在火灾下的延性等。