一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱性能的分析方法技术

一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱性能的分析方法，包括：输入钢材、混凝土的热工参数，建立有限元模型，求解温度场，温度场后处理输入文件生成（*.fil)文件；建立力场有限元模型，编制考虑混凝土的膨胀、高温徐变和瞬态热应变的UEXPAN场变量子程序，编写不同阶段本构模型转换的USDFLD场变量用户子程序，在预定义场管理器中导入(*.fil)文件，按照不同的荷载比对构件施加荷载，进行全过程火灾后中空夹层钢管混凝土柱的力学性能的计算；分析材料强度、含钢率、空心率对承载力的影响规律；最后分析全过程火灾后典型曲线。最后分析全过程火灾后典型曲线。最后分析全过程火灾后典型曲线。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱性能的分析方法


本专利技术属于土木工程
，具体设计一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱性能的分析方法。

技术介绍

中空夹层钢管混凝土具有自重轻、内外钢管对混凝土有双层紧箍效用。混凝土具有热惰性，导热系数较低，传递温度慢，内部钢管温度不会提升很多，有较大的承载能力。当空心率为0.31时，圆套圆中空夹层钢管混凝土柱比钢管混凝土承载力要高。真实的火灾包含升温阶段和降温阶段，但经历火灾升降温之后，混凝土会有损伤，材料属性无法恢复，钢材能够恢复到常温下的材料属性。因此研究全过程火灾后中空夹层钢管混凝土柱力学性能非常重要。但以往对中空夹层钢管混凝土柱的研究没有考虑降温段。钢材在温度和应力共同作用下会产生高温蠕变。火灾是一个连续的过程，包括升温和降温。以往的研究只单独考虑了火灾后、恒高温下和升温下中空夹层钢管混凝土的轴压力学性能。升温下的研究，一般研究构件的耐火极限。恒高温下的研究主要是不同温度下构件的力学性能。火灾后的研究主要考察构件的剩余承载力，一般是按照国际升温曲线使得环境温度达到特定温度后，自然降温，当降至常温后，对构件施加荷载直至破坏。没有考虑温度与力的耦合作用，特别是降温阶段。当环境温度下降时，内部混凝土还存在短暂的升温阶段，这时也往往会导致构件的破坏。因此目前对中空夹层钢管混凝土的研究还不能完全符合建筑火灾的真实情况。

技术实现思路

本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种考虑火灾全过程的中空夹层钢管混凝土柱的分析方法。本专利技术是这样实现的:一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱力学性能的分析方法，包括一下步骤：步骤1：有限元软件中输入钢材、混凝土的热工参数，进行全过程火灾后构件温度场求解；步骤2：将温度场后处理文件(*inp)提交计算，计算结果生成一个(*.fil)文件；步骤3：确定混凝土、钢管在常温、升温、降温、火灾后的本构模型。编写温度应变子程序UEXPAN，编制考虑不同阶段本构模型转化的USDFLD用户子程序；步骤4：计算荷载比，得到施加在构件上的荷载。并在力场模型预定义场变量中导入(*.fil)文件；步骤5：全过程火灾后中空夹层钢管混凝土柱力学性能分析；步骤6：进行材料强度、空心率、含钢率、受火时间的参数分析。
所述有限元软件为ABAQUS，子程序USDFLD和UEXPAN采用Fortran语言编程。USDFLD实现不同阶段本构模型的转换，UEXPAN考虑钢材的高温蠕变。温度膨胀子程序UEXPAN读入主程序每个增量步的温度ΔT,当ΔT＝0,表示试件处于常温阶段；ΔT>0时，表示试件处于升温阶段；ΔT<0时，表示试件处于降温阶段。ΔT＝0,分析步为STEP4，表示试件处于火灾后阶段。当出现当前增量步ΔT>0且下一个增量步ΔT<0,说明该积分点达到最高温度，将最高温度赋值给field(1)。根据当前的分析步和荷载步，判断试件处于哪个阶段。用field(2)＝1表示常温阶段，用field(2)＝2表示升温阶段，用field(3)表示降温阶段，用field(4)表示火灾后阶段。确定积分点所处的温度阶段后，根据场变量field(1)和field(2)，程序即可通过field(1)和field(2)相对应来实现自动选择不同阶段的材料模型。在定义材料性质时，设置用户自定义场变量，并将膨胀系数选为使用用户子程序UEXPAN；并定义关键词Depvar,设置SDV(Solution dependant state variables)的个数。SDV存储每个增量步内与解相关的状态变量，并传递给USDFLD中。通过调用GETVRAM函数获得每个增量步的初始应力，并将其赋值给SDV；通过SDV将当前的应力值传递给UEXPAN；当前增量步的初始温度、温度增量、初始时间和时间增量可通过UEXPAN获得。
附图说明
下面参照附图结合实例对本专利技术作进一步的描述。图1是本专利技术方法流程图。图2是ISO
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834标准升降温曲线。图3是不同荷载比构件的火灾全过程承载力
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应变曲线。图4是外钢材不同强度构件的火灾全过程承载力
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应变曲线。图5是内钢材不同强度构件的火灾全过程承载力
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应变曲线。图6是火灾后各个部件的承载力
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应变曲线。图7不同混凝土强度构件的火灾全过程承载力
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应变曲线。图8不同受火时间构件的火灾全过程承载力
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位移曲线。图9不同含钢率构件的火灾全过程承载力
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应变曲线。图10典型火灾全过程荷载
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应变曲线。图11(a
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f)温度应变子程序UEXPAN代码。图12考虑不同阶段本构模型转化的USDFLD用户子程序代码。
具体实施方式
本专利技术提供了一种火灾全过程的中空夹层钢管混凝土柱的分析方法，下面通过附图说明和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。考虑火灾全过程的中空夹层钢管混凝土柱性能的分析方法，包括一下步骤。步骤1：有限元软件中输入钢材、混凝土的热工参数，进行全过程火灾后构件温度场求解；步骤2：将温度场后处理文件(*inp)提交计算，计算结果生成一个(*.fil)文件；
步骤3：确定混凝土、内外钢管在常温、升温、降温、火灾后的本构模型。编写温度应变子程序UEXPAN，编制考虑不同阶段本构模型转化的USDFLD用户子程序；步骤4：计算荷载比，得到施加在构件上的荷载。并在力场模型预定义场变量中导入(*.fil)文件；步骤5：全过程火灾后中空夹层钢管混凝土柱力学性能分析；步骤6：进行材料强度、空心率、含钢率、受火时间的参数分析。具体过程详细描述如下：一、温度分析由图2可以看出，当受火时间为30min时，环境温度达到841℃。此时外钢管的温度最高，由外钢管外表面依次向内减少。由于混凝土的热惰性，导热系数比较低，传递温度比较慢，导致内部夹层混凝土的温度呈现梯度变化，不同位置处温度不同。外钢管在45min时，温度达到最高温度582℃。混凝土在95min，温度达到最高温度269℃。内钢管在150min时，温度达到最高温度198℃。经过降温阶段，当受火时间约为800min时，钢管表面的温度接近于20℃。图2是中空夹层钢管混凝土截面温度(T)
‑
时间(t)关系曲线。柱截面尺寸D
i
×
D
o
×
L
×
t
i
＝400
×
200
×
1200
×
11mm f
cu
＝60MPa f
y
＝390受火时间30min。二、受力分析
[0043]由图3可以看出，在全过程火灾后构件承载力曲线中有一段水平段，且随着荷载比的逐渐增大，构件由膨胀产生的变形逐渐减少。当荷载比为0.2时，构件从A点到B点发生膨胀变形，B点膨胀变形到达最大值，B点以后构件逐渐开始降温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱性能的分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：有限元软件中输入钢材、混凝土的热工参数，进行全过程火灾后构件温度场求解；步骤2：将温度场后处理文件(*inp)提交计算，计算结果生成一个(*.fil)文件；步骤3：确定混凝土、钢管在常温、升温、降温、火灾后的本构模型，编写温度应变子程序UEXPAN，编制考虑不同阶段本构模型转化的USDFLD用户子程序；步骤4：计算荷载比，得到施加在构件上的荷载，并在力场模型预定义场变量中导入(*.fil)文件；步骤5：全过程火灾后中空夹层钢管混凝土柱力学性能分析；步骤6：进行材料强度、空心率、含钢率、受火时间的参数分析。2.根据权利要求1所述的一种考虑全过程火灾后的中空夹层钢管混凝土柱性能分析方法，其特征在于：所述有限元软件为ABAQUS，子程序USDFLD和UEXPAN采用Fortran语言编程，USDFLD实现不同阶段本构模型的转换，UEXPAN考虑钢材的高温蠕变。3.根据权利要求1所述的一种考虑火灾全过程作用的中空夹层钢管混凝土柱的分析方法，其特征在于：温度膨胀子程序UEXPAN读入主程序每个增量步的温度ΔT,当ΔT=0，表示试件处于常温阶段；ΔT>0时，表示试件处于升温阶段；ΔT<0时，表示试件处于降温阶段，ΔT=0，分析步为STEP4，表示试件处于火灾后阶段，当出现当前增量步ΔT>0且下一个增量步ΔT&a...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓，王杰，回彦川，杨玉琪，刘昭辉，
申请(专利权)人：沈阳大学，
类型：发明
国别省市：