焊接K型圆钢管节点抗火性能研究

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本文主要研究了支管承受轴向荷载的K型圆钢管节点在升温条件下的抗火性能和失效模式。首先,试验研究了两个足尺寸的K节点在升温条件下的力学行为。试验过程中测量了试件表面的温度和一些特殊点的位移(如鞍点、冠点和受压支管端部)。试验结果表明:当温度超过某一定值时,节点的失效迅速发生;主管表面测点的温度几乎相同,而支管表面的温度总是稍微高于主管的温度;根据不同的变形机理,节点的失效过程通常可以分为三个明显的阶段:膨胀阶段、退化阶段和倒塌阶段;试件的失效模式表现为主管面的塑形屈服失效。另外,为了广泛研究K节点在标准火灾作用下的抗火性能,提出了间接热力耦合有限元模型。模型的有效性和准确性通过与试验结果对比得到验证。在参数分析之前,提出了一种基于节点变形速率的方法来确定节点的临界温度。随后,初步研究了对流系数h、发射率ε、β(支管直径与主管直径之比)、γ(主管直径与两倍主管厚度之比)、θ(支管与主管之间的夹角)、荷载比n(施加的荷载与节点承载力之比)和主管应力比n ’(施加在主管端部的应力与主管屈服应力之比)对节点升温规律和临界温度的影响。结果表明:对流系数和发射率对节点的临界温度没有明显的影响,但是对节点的升温过程和耐火时间的影响显著;参数β和θ的增大对节点的临界温度有轻微提高,而γ的增大却会导致临界温度轻微的降低;此外,参数β和θ的改变对节点温度的影响较小,而γ的影响很大。研究结果还表明:随着荷载比和主管应力比的增大节点的临界温度迅速降低。最后,根据有限元分析的结果,提出K型管节点在高温条件下的承载力计算方法。
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