高温下不锈钢精细化本构模型及其在构件承载力计算中的应用
高温下不锈钢精细化本构模型及其在构件承载力计算中的应用随着我国建筑工业化发展和产业结构的不断调整与升级,钢结构建筑因其优越的性能受到越来越多的关注。其中,不锈钢结构因拥有良好的防腐性能和优越的表现能力,备受设计师的青睐。
近年来,由于能源使用模式的多样化以及消防管理和民众意识的疏忽,建筑火灾频发,造成了严重的人员伤亡和财产损失。与传统砖石砌体结构、混凝土结构相比,钢结构对火灾更加敏感,火灾下其力学性能和行为反应研究更为重要。
高温下材料力学性能研究作为一项基础性研究,为构件和结构抗火性能研究奠定了重要基础。国内外对常温下不锈钢材料的力学性能研究已较为完善,然而高温下不锈钢材料力学性能的相关研究仍然十分匮乏。
基于上述背景,本文对高温下不锈钢材料的本构模型及其在构件中的应用进行了深入的研究。基于国产奥氏体S30408不锈钢材料,本文通过常温下拉伸试验和高温下稳态试验方法与瞬态试验方法进行了系列化不锈钢材料力学性能试验（包括8个常温下试件、28个高温稳态试验试件和36个高温瞬态试验试件）,考察了不同条件下不锈钢材料的力学性能,获取了常温下和高温下不锈钢材料的弹性模量、屈服强度、极限强度等力学性能参数,并给出了相应的应力-应变曲线,且根据试验结果进一步研究了高温下不锈钢材料在较大应变范围内的应力-应变曲线发展趋势。
在此基础上,对比高温下不锈钢材料力学性能的稳态试验结果与瞬态试验结果,研究结果表明:当温度不超过600℃,两种试验结果的应力-应变曲线很接近,可以相互等效;当温度高于600℃,两者误差较大,不可等效。本文在试验研究的基础上,搜集国内外已有的高温不锈钢材料力学性能研究成果,对比分析本文高
温下材料力学性能试验结果与已有模型结果,可以很容易发现:已有高温下不锈
钢材料模型并不能完全十分精准地反映高温下材料力学性能。
为此,构建高温下不锈钢材料精细化本构模型是十分必要的。本文通过理论推导和数值模拟分析方法分别建立了高温下不锈钢材料的两种本构模型,即理论模型和简化模型。
首先,本文通过理论推导建立了一个含有5个基本力学性能参数的高温下不锈钢材料本构理论模型,并基于本文的试验结果对理论模型的准确性进行了验证。紧接着,本文对理论模型中的5个力学性能参数在高温下的折减系数进行了研究与分析,给出了各个力学性能参数的折减系数表达式,并使用统计学软件SPSS对
5个力学性能参数进行了可靠度分析;分析结果表明:理论模型对平板区和转角
区不锈钢材料均适用。
最后,基于Ramberg-Osgood模型,经过反复试算和观察,将高温下不锈钢材
料的应力-应变曲线重新分段,提出含有温度参数的简化模型,并使用Matlab软
件对模型中的系数进行拟合;研究结果表明:对高温下平板区不锈钢材料,当应力大于σ1.0时,材料应力-应变曲线接近直线;对高温下转角区不锈钢材料,当应力大于σ0.8时,材料应力-应变曲线接近直线。将高温下不锈钢材料力学性能理论模型和简化模型应用到简支矩形不锈钢梁、带约束偏心受压矩形不锈钢柱、带约束轴心受压H形不锈钢柱的抗火性能数值模拟中,使用有限元分析软件ABAQUS对上述三种构件的抗火性能进行数值模拟分析,分别采
用高温下不锈钢材料力学性能的理论模型和简化模型计算获取高温下三种构件
的抗火性能指标（临界温度、承载力等）,并将数值模拟结果与试验结果进行对比;对比分析结果表明:对处于低温条件下构件,当应变值较小时,使用理论模型
和简化模型计算出的构件抗火性能指标与基于材料力学性能试验结果本构模型计算出的结果相差不大;对处于高温条件下构件,当应变值较大时,使用理论模型和简化模型计算出的构件抗火性能指标与基于材料力学性能试验结果本构模型计算的结果有所偏差。
研究结果表明,高温下不锈钢材料的理论模型和简化模型在构件抗火性能数值模拟中均可以可靠应用,但简化模型更为方便、简捷。