焊接工字形钢梁在高温下的极限状态分析

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1、焊接工字形钢梁在高温下的极限状态分析AnalysisofthelimitstateoftheweldedI-Sectionsteelbeamsathightemperature研究生：王元鸷指导教师：张壮南副教授学科专业：防灾减灾工程及防护工程二零一五年十二月分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文焊接工字形钢梁在高温下的极限状态分析作者姓名：王元鸷入学年份：2013年9月指导教师：张壮南副教授学科专业：防灾减灾工程申请学位：工学硕士及防护工程所在单位：土木工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会

2、主席：梁力答辩委员会组成：梁力王庆利任庆新张曰果陈勇王春刚隋伟宁论文评阅人：金路柳旭东硕士研究生学位论文摘要I摘要焊接工字形截面是钢梁常采用的截面形式之一，而单轴对称焊接工字形梁与双轴对称焊接工字形梁相比具有较好的应用价值及经济效益，从而被越来越多的应用于实际工程。由于焊接工字形截面钢梁在焊接过程中产生的残余应力是影响钢梁极限状态的重要因素之一，因此在钢梁的极限状态分析中需要考虑残余应力的作用。然而在研究高温环境下钢梁的极限状态时，国内外部分学者认为残余应力在高温中得到了全部释放，可以不用考虑残余应力的影响；还有部分学者则采用了常温状态下的残余应力，这样计算得到的结果将会过于保守

3、。针对上述问题进行课题研究时，首先对影响盲孔法测残余应力精确度的应变释放系数进行有限元模拟，其次采用前期试验数据进行高温650℃左右时残余应力的有限元分析，最后研究高温650℃左右时考虑残余应力的单轴对称工字形钢梁的极限状态。本课题采用有限元与理论分析相结合的方法，取前期试验数据对应变释放系数进行有限元模拟，并据此提出：当孔深孔径比值在1.25左右时，其测量值较接近于通孔解的计算值；板厚对释放系数及其计算应力的影响较小，基本上可以忽略不计。考虑到国内外在高温环境下残余应力的大小及分布方面数据的匮乏，在前期试验数据的基础上对12个单轴对称焊接工字形截面（剪切边）钢构件在升温至650

4、℃左右时进行残余应力（即r650℃）的有限元模拟，并将各试件的模拟结果与该试件在初期焊后冷却至70℃左右时的模拟结果（其结果等同于常温状态下的残余应力值，即r70℃）进行对比，结果表明：钢构件在高温650℃左右时，翼缘处残余应力峰值约为70℃左右时峰值的40%左右，腹板中间残余压应力峰值约为70℃左右时峰值的20%左右，但是截面残余应力的分布模式基本没有变化。同时，根据截面参数中腹板高厚比、翼缘宽厚比及翼缘宽度将各试件在650℃左右时的模拟结果进行分组，发现：在升温过程中受均匀温度场的影响，截面残余应力随各参数的变化而变化的趋势与常温状态下的变化趋势一致。基于高温650℃左右时残

5、余应力的分析结果，对单跨简支钢梁及双跨连续钢梁的温度在650℃左右时的极限状态进行有限元分析。通过研究残余应力的大小、腹板高厚比及翼缘宽厚比等参数对钢梁中特定节点位移的影响，发现：（1）对于单跨简支钢梁的跨中翼缘边缘节点位移，考虑r650℃时的节点位移值（UYfw.q.r650℃-J1）约为直接考虑r70℃时的节点位移值（UYfw.q.r70℃-J1）的0.69，即下降了31%左右；对于双跨连续梁主跨跨中翼缘边缘节点位移，UYfw.q.r650℃-S1约为UYfw.q.r70℃-S1的0.78，即下降了22%左右。因此，高温下研究钢梁极限状态时考虑与钢梁温度相对应的残余应力，将会

6、对结构的安全及经济适用性有极大的积极作用。（2）当腹板高厚比（其变化区间为62.5~75）与翼缘宽厚比（B1/B2=1.33、B1/t1的变化区间为16.66~33.33和B2/t2的变化区间为12.5~25）逐渐增大时，钢梁的耐火时间均产生了不同程度的增大趋势。并且通过对比改变腹板高厚比与翼缘宽厚比时钢梁的耐火时间发现，改变翼缘宽厚比会对钢梁的耐火时间更有影响。关键词：单轴对称工字形截面；应变释放系数；高温下残余应力；极限状态分析II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractTheweldedI-sectionisoneofthecrosss

7、ectionformsofsteelbeams.ComparedwithweldedI-Sectionbeamwithbiaxialsymmetry,themonosymmetricI-Sectionbeamhasagoodapplicationvalueandeconomicbenefit.It’smoreandmoreappliedtopracticalengineering.Inthedesignoftheoverallstabilityofthebeam,theeffec