1、安徽建筑工业学院学位论文（毕业设计）开 题 报 告 书学院、系（所）土木工程学院姓 名 胡 妍学 位 级 别 硕 士学 科、专 业 结 构 工 程研 究 方 向 钢结构设计理论及应用论 文 题 目预应力钢柱在高温(火灾)环境下的力学特性分析导 师 姓 名 孙 强 教 授入 学 年 月 2011.9安徽建筑工业学院研究生处制2013 年 3 月 7 日填姓 名 胡妍 学号 20113301065 导师姓 名 孙强 教授学科专业 土木工程，结构工程 研究方向 钢结构设计理论及应用入学类型 硕士研究生 以同等学力申请硕士学位 专业学位 高校教师在职攻读硕士学位论文题目 预应力钢柱在高温(火灾)环境下
2、的力学特性分析论文（设计）选题来源：国家重点基础研究发展计划 973 项目子课题(2012CB719703)论文（设计）的研究目的、意义及国内外发展趋势,论文（设计）的主要内容、研究方法和研究思路 (5000 左右)：1. 论文选题意义与目的1.1 意义在现代建筑材料中金属结构具有强度高、比容重轻、加工性能好、生产周期短等特点,加以与预应力新技术结合后可使预应力钢结构在更轻、更大、更好、更省的特点上更为突出.预应力钢结构有节约钢材，减小自重，提高结构刚度与稳定性，保证结构使用功能，降低运营成本等特点。充分利用其材料的弹性强度潜力能提高其承载力，改善结构的受力状态以节约钢材，提高结构的刚度和稳定
3、性，调整其动力性能 2预应力钢结构同比传统钢结构可节约钢材 10%40% ，并可大量使用高强高效钢材。预应力钢结构完全满足“节约用材，合理用材，重复用材，循环用材”的可持续发展原则 3。钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为 500时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到 600时，钢材将丧失大部分强度和刚度。因此，钢结构建筑一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏甚至倒塌 1。而且随着社会现代化的发展，高层大跨建筑不断涌现，房屋密度加大，人员和资产的高度集中，加之大量新型材料广泛应用于建筑业以及燃气、电器的普遍使用，大大增加了建筑物发生火灾的可能性，火灾的危害性更为严重。钢结构抗火研究能减
4、轻或避免结构在火灾中的破坏，或者使结构具有一定的耐火期限，保障生命安全；减少火灾后结构的修复费用，缩短火灾后结构功能的恢复周期，减少间接经济损失；为结构的抗火设计中节省材料，提高钢结构的安全性提供科学的依据 4。当前建筑钢结构抗火的性能研究以取得了很大进展，但钢结构的抗火理论研究还需进一步完善。要更加趋于真实火灾情况下的室内升温模型，结构温度场分布模型，材料高温本构关系模型及钢高温下连续特性的研究。需要更先进的计算方法和实用的简化方法，需开发更先进的计算软件发便工程研究与应用 5。本文研究的是预应力钢柱在高温火灾下的力学特性，为工程结构抗火设计提供参考。1.2 目的目前钢结构仍然基于防火设计，
5、还未将钢结构在火灾中受力行为很好地纳入设计中，虽然制定了一些有关规范或规程，但仍缺乏足够的研究成果支撑，还不能确保其设计的钢结构具有应有的抗火性能，特别是预应力钢结构抗火问题更是如此。本课题拟在给定的高温（火灾）环境（不利情况）下，应用结构性能化设计理念，考虑温度、荷载、构件变形、预应力损失、钢材蠕变与松弛等因素，探讨预应力钢柱件在高温火灾下的力学性能。通过对钢柱在高温火灾下的全过程分析，根据钢柱截面的不同形状尺寸、支座不同类型、预应力筋张拉次数等相关因素，对预应力钢柱进行力学行为分析，确定其在高温下的承载力计算方法、变形计算方法。丰富预应力钢结构抗火设计理论的基础研究，旨在能够通过研究对钢结
6、构抗高温和抗火设计的发展提供有价值的借鉴作用。2.国内外发展趋势预应力钢结构是通过在钢结构中施加预加应力的方法，使结构构件控制截面产生的应力与设计荷载产生的应力符号相反，在结构中产生有利的应力分布，以提高构件或结构的承载能力，减小其结构变形，从而达到节约钢材，降低工程造价的目的。预应力钢结构学科从诞生到现在已经历了 60 年，二战后在欧洲土建行业萌生了把在钢筋混凝土结构中已经应用多年的预应力技术移植到钢结构工程中的想法，至今预应力钢结构技术在世界建筑领域内有着广泛应用。预应力钢结构技术在 20 世纪50 年代传入我国并开始发展，我国在 50 年代后期，也开始预应力钢结构的研究与开发，并在一批工
7、矿企业的运输斜栈桥和吊车梁上采用了预应力技术，同时对一批旧有的桥梁及建筑物在战后人力物资匮乏的条件下采取了预应力加固措施。对这一领域的开拓工作，我国其实起步不晚，只因多种原因，曾一度进展滞缓。近年来，随着经济建设的高速发展，预应力钢结构技术再次受到各地的重视和应用。进入 21实际后。随着北京奥运会场馆的兴建，预应力钢结构技术得到了有力的推动和发展。对于预应力的钢结构来说，由于徐变现象的出现，预应力松弛而引起的内力重分布就可能造成整个结构的破坏，预应力度越大的结构耐火性越差。因此，预应力钢结构的抗火设计应比普通钢结构和预应力混凝土结构更加严格。由于钢材的物理及机械性能对高温很敏感，所以一旦发生火
8、灾，钢结构的承载能力降低，变形增大，在较短时间内就能达到极限状态以致发生破坏，为了人身及财产安全，结构设计必须使得结构能在规定的一段时间内，在预期的火灾模式下，不至于达到承载能力和变形的极限状态，这就是结构抗火设计的目的 7。英国卡丁顿项目对一栋 8 层钢结构房屋进行了被认为是世界上最大火灾实验，得出了在火灾中构件与结构不同、钢和压形钢板复合楼板对防止楼板和梁的失效起着重要影响等结论。我国的钢结构抗火研究起步较晚，有关预应力钢结构的抗火研究几乎是空白,为此开展预应力钢结构的抗火性能研究,无论在理论上还是实用上都具有重大意义。目前，预应力钢结构的抗火研究应着重解决预应力钢结构构件的抗火研究，高温
9、下高强低松弛钢绞线的力学性能研究，火灾后预应力钢结构构件的承载你研究，研究如何利用计算机仿真试验来了解不同形式预应力钢结构的耐火性能 6。3.论文的主要内容 第一章 绪论1.1 课题研究的背景1.2 本课题研究目的及意义1.3 预应力钢结构抗火研究的国内外发展概况1.4 本文研究的主要内容第二章 高温（火灾）环境下预应力钢结构的基本理论与设计方法2.1 预应力钢结构的基本理论2.2 火灾基本理论2.3 预应力钢结构的设计方法2.4 本章小结第 3 章 预应力的加载与施加方法3.1 预应力的加载方案3.2 预应力的施加方法3.3 本章小结第四章 不同高温参数对钢柱承载力的影响4.1 钢柱的计算模
10、型4.2 不同柱长钢柱的力学性能分析4.3 不同节间数钢柱的力学性能分析4.4 不同截面形式钢柱的力学性能分析4.5 不同边界条件钢柱的力学性能分析4.6 预应力损失对钢柱承载力的影响4.7 本章小结第五章 不同高温参数对钢柱变形的影响5.1 不同柱长钢柱的力学性能分析5.2 不同节间数钢柱的力学性能分析5.3 不同截面形式钢柱的力学性能分析5.4 不同边界条件钢柱的力学性能分析5.5 预应力损失对钢柱变形的影响5.6 不同阶段力学性能对比分析5.7 本章小结第六章 钢柱在高温环境下的有限元分析方法6.1 有限元方法概述6.2 有限元计算模型6.3 钢柱高温下受力性能分析及对比6.4 本章小结
11、4.研究方法和研究思路 收集预应力钢柱火灾下的破坏资料选择不同的形式，设定火灾场景料建筑物类型可燃物数量防火层厚度火灾荷载建立预应力钢柱的力学模型与理论分析值进行对比分析找出误差误差分析房间传热系数通风情况承载力计算温度场的建立建立高温火灾下预应力钢柱的有限元分析模型变形计算 预应力损失计算结束5.论文进度安排时间 进度安排2013.032013.05 相关文献研究2013.052013.08 相关数据及资料统计整理2013.082013.09 预应力钢结构构件理论研究2013.092013.11 算例选取和利用软件分析综合2013.112013.12 提交导师审查，在导师指导下进行论文修改2
12、013.12 论文预答辩2014.012014.03 系统完善并向学院提交论文成果2014.042014.05 论文盲审2014.06 论文答辩主要参考文献：1 李国强,韩林海,楼国彪,等.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计M.北京：中国建筑工业出版社,20062 陆赐鳞,尹思明,刘锡良.现代预应力钢结构M.北京：人民交通出版社，20073 陆赐麟，张爱林，张国军。预应力钢结构学科的发展与深化。2005 年 8 月第 8卷第 2 期 43484 李国强，蒋首超，林桂祥。钢结构抗火计算与设计。中国建筑工业出版社，1999，49.5 魏东，孙秀山，刘应华。钢结构抗火研究进展J.建筑钢结构进展。20
13、06 年 8月，第 8 卷第四期 17226 周臻，应力实施过程的预应力钢结构全过程优化设计J.土木工程学报，2010，43（2）：26-317 周臻，孟少平，网架结构的预应力全过程分析方法J.工程力学，2007，24（12）：93-998 薛伟辰，上海源深体育馆预应力张弦梁优化设计与试验研究J.建筑结构学报，2008，29（1）：16-239 赵克超，钢框架抗火计算研究进展J.工程建设与设计，2011（3）：54-5710 任学军，钢构件在不同温升曲线下的耐火研究J.安徽建筑工业学院学报（自然科学版） ，2007，15（6）：16-1811甄诚.钢结构防火设计发展J,低温建筑技术,2005,
14、( 3):35-3612受高温作用时预应力钢绞线性能的试验研究，建筑结构，Vol32 No3，200213高温下及高温后 1770 级 P5 低松弛预应力钢丝力学性能试验研究，建筑结构学报，Vol. 27 No2，200614 10CECS 212:2006,中国工程建设标准化协会标准预应力钢结构技术规程.北京:中国计划出版社,2006.15范维澄、刘乃安，中国火灾科学基础研究进展与展望，中国科学技术大学学报，Vol.36No.1,200616白音，大空间钢结构火灾下受力性能与抗火计算方法研究D.北京，清华大学，200817李国强,陈凯,蒋首超,殷颖智.高温下 Q345 钢的材料性能试验研究J
15、 .建筑结构,2001 .18魏东等,钢结构抗火研究进展，建筑钢结构进展,Vol.8No.4,200619范维澄,刘乃安.中国火灾科学基础研究进展与展望.中国科学技术大学学报,Vol.36No.1,200620吕俊利,董毓利.钢结构抗火研究概述.建筑技术开发,Vol.33,No.9,200621J.M.Franssen.真实火灾安全思想.建筑钢结构进展,2003,50(2):45-4822Landesmann, Alexandre. de M. Batista, Eduardo. Implementation of advanced analysis method for steel-fram
16、ed structures under fire conditions, Fire Safety Journal; Jun2005, Vol. 40 Issue 423Pignatta e Silva, Valdir. Determination of the steel fire protection material thickness by an analytical process a simple derivation, Engineering Structures; Dec2005, Vol. 27 Issue 1424Graham-Rowe, Duncan. Tower coll
17、apse theory challenged, New Scientist; 2/8/2003, Vol. 177 Issue 238125Liu, T.C.H. Fahad, M.K. Experimental investigation of behaviour of axially restrained steel beams in fire, Journal of Constructional Steel Research; Sep2002, Vol. 58 Issue 9论文（设计）的创新点及特色：本文将温度参数引入预应力设计计算中；分析了钢柱在高温（火灾）下的力学特性；根据火灾科学理论与结构抗火设计要求，结合实际工程情况并根据房屋可能发生的灾害情况，分析了火灾参数及预应力损失对结构承载力的影响，并以实例进行说明提出了提高结构承载力的措施，可为工程结构抗火设计提供参考。学位论文（毕业设计）开题报告会记录导师 1 姓名 学 号导师 2 姓名 研究生姓名研究方向论文题目论证时间 年 月 日 时至 时 地 点会议主席 记录人参会人员开题报告会上提出的主要问题及解决办法：
