火灾下相贯焊接钢管节点力学性能和破坏机理研究

Modern tubular hollow steel structures are widely used in large-span public constructions, high-rise buildings and offshore jacket platforms. For a large-span tubular structure,temperature effect caused by fire will have an important influence on the roof structure. For a high-rise building, it may affect other stories or cause local weakening for the whole structure when a certain story is in fire. For an offshore jacket platform composed by tubular joints, it is very dangerous in fire since this kind of structure is mainly used in exploring flammable materials such as petroleum and natural gas. Therefore, it is necessary to develop the research on fire resistance for welded tubular structures. This project will study the mechanical behavior and failure mechanism of welded tubular joints using theoretic analysis, experimental test and numerical simulation. The main contents include: estabishing the ultimate capacity equations for tubular joints in high temperature based on yield line theory；studying the heating, stress and deformation process as well as failure mode of tubular joints in fire； studying the influence on fire resistance considering boundary conditions, geometric parameters and initial loads at brace end；simulating finite element model and deriving critical temperature equations for tubular joints. All these studies are expected to facilitate the design of fire resistance for tubular joints.

现代空心钢管结构广泛应用于大跨公共建筑、中高层建筑和海洋导管架平台中。对于跨度较大的钢管结构，由火灾引起的温度效应会对屋盖结构产生较大影响；对于高度较大且层数较多的高层钢管结构，某楼层发生的火灾可能波及其他楼层或引起整体结构的局部弱化；而对于以钢管节点为支撑骨架的海洋平台导管架结构，其主要用于开发石油和天然气等易燃物质，火灾更成为一项重大的安全隐患，因此有必要及时开展组成钢管结构的相贯焊接钢管节点的抗火性能研究。本课题拟通过理论分析、试验测试和数值模拟方法，研究钢管节点在火灾下的力学性能和破坏机理。主要内容包括建立基于塑性铰线理论高温下钢管节点承载力模型；研究高温下钢管节点的升温特性、应力变化特征、变形特征和破坏模式；研究端部约束、几何参数和初始荷载对升温过程中钢管节点抗火性能的影响；建立高温下钢管节点有限元模型并提出钢管节点临界温度方程。通过本课题研究，为钢管节点的耐火设计提供参考方法。

由一系列钢管节点组成的钢管结构具有轻巧美观、用钢量省、力学性能好、防腐性能好、造型简捷等优点，其在大跨公共建筑、海洋平台和高耸结构中得到了广泛的应用。学者们已经对钢管节点的静力承载力、疲劳性能、动力性能等方面展开了深入研究，然而钢结构的耐火性能并不好，钢材的材性由于温度的升高而显著降低。因此，火灾是钢结构失效的重要隐患，目前对钢管节点的抗火性能研究非常缺乏。本课题首先采用三重塑性绞线原理建立高温下钢管节点承载力模型。通过数学方法建立塑性铰线方程，推导空间屈服线平面投影切向量与空间切向量的夹角，各微刚块绕屈服线的相对转角以及相邻微刚块绕中间屈服线的转角。通过建立高温下的虚功方程，借助数值分析方法，得到高温下钢管节点的极限承载力。其次，开展了一系列相贯圆钢管节点抗火试验。得到了钢管节点试件在火灾下的升温曲线、变形曲线和破坏模式；同时开展了火灾后钢管节点静力强度试验测试，对比了管节点在经历火灾前后的荷载-位移曲线和破坏模式。接着，采用有限元软件ABAQUS中的热力耦合分析模块与子程序二次开发，综合考虑钢材在常温、升温、降温、火灾后的本构关系，构建了可以模拟各类钢管节点火灾全过程力学性能的有限元模型，并利用试验数据，通过对比升温曲线、变形曲线和破坏模式验证了有限元方法的正确性。进而，深入研究了几何参数、热学参数、材料参数与荷载比对相贯圆钢管节点临界温度和耐火极限以及火灾后静力承载能力的影响，探讨了不同的破坏标志准则对钢管节点临界温度和耐火极限以及火灾后极限强度的影响。最后，基于试验测试与有限元模型推导了相贯圆钢管节点临界温度的计算方程，建立了钢管节点火灾后承载力性能评估方法与计算模型，为钢管节点的抗火设计提供参考方法，方便工程实际。