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結構工程論文開(kāi)題報告范文
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論文題目：乙烯裂解爐鋼板墻結構抗火承載力研究
一、選題背景
早自上個(gè)世紀90年代，我國的鋼產(chǎn)量就開(kāi)始迅速增長(cháng)，在1996年時(shí)，鋼的總產(chǎn)量已然躍居世界榜首[1]? 2014年時(shí)，根據數據統計，我國鋼產(chǎn)量為11億噸，這樣的大規模生產(chǎn)足以說(shuō)明鋼材對我國發(fā)展起著(zhù)中流砥柱的作用。如今，雖然我國建筑鋼結構產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但是鋼結構在建筑領(lǐng)域的用鋼僅占總鋼產(chǎn)量的4%左右，與國外發(fā)達國家10%以上的水平相差甚遠[2]。我國建筑鋼結構目前的發(fā)展雖能得到使用滿(mǎn)足，但未來(lái)而言，鋼結構設計理論體系發(fā)展趨勢必然是更為成熟與完善，使其迎來(lái)黃金發(fā)展時(shí)期。鋼結構的優(yōu)點(diǎn)是強度較其他材料高，與此同時(shí)又能保持良好的軔性，但鋼材有個(gè)極大的缺點(diǎn)，就是耐火性能較差。雖然鋼的材質(zhì)屬于非燃燒體，但在火災高溫持續不斷的作用下，當溫度達到55(rC左右時(shí)，鋼材會(huì )變軟，其屈服強度急劇下降。當溫度升至80(rC左右時(shí)，鋼材基本失去原有形態(tài)，剛度和強度幾乎變?yōu)榱鉡3]。處于高溫環(huán)境下，尤其是火災發(fā)生時(shí)，鋼結構的承載能力和變形性能都在持續不斷的發(fā)生著(zhù)顯著(zhù)的變化，甚至達到極聚狀態(tài)，最終以致結構破壞。發(fā)生此現象@原因主要是由于鋼材本來(lái)自身的性能決定的，其中特別是;6學(xué)性能，它對溫度的敏感性尤為明顯。經(jīng)過(guò)數據統計，在15-20分鐘內，不做防火保護的鋼結構就可能倒塌。由于成產(chǎn)環(huán)境的影響，石化鋼結構裝備建(構)筑物極易受到高溫火災的影響，導致其容易遭受更加嚴重的損壞。對于石化裝備鋼結構建筑物的各個(gè)部分組成，其主要涵蓋了這樣幾種結合方式：鋼框架與剪力墻結構的結合、設備與管廊鋼框架結構的結合以及箱體鋼板剪力墻結構等。有關(guān)統計表明：石油化工企業(yè)的火災約占城市重特大火災的25%以上，數據足以表明研究其的重要性。在石油化工裝置的生產(chǎn)過(guò)程中，大量易燃、易爆氣體通過(guò)管道在大型石化裝備建(構)筑物中傳送，使之成為為火災高危行業(yè)。上世紀80至90年代，有關(guān)研究在安全工程學(xué)科中發(fā)展出一種"性能化防火設計方法[4]，根據可能發(fā)生火災的場(chǎng)景，確定火災對結構的不利影響，從而設定安全目標。
二、研究目的和意義
在建筑鋼結構形式的領(lǐng)域范圍內，主要是研究材料的抗火性能。結構在火災下的強度、剛度、變形、承載力、整體建筑結構耐火時(shí)間以及結構抗火構造等，即：在使用力學(xué)工具計算的同時(shí)，有依據的來(lái)研究鋼結構建(構)筑物在火災高溫下的安全性能。然而由于有限的結構力學(xué)計算模型涵蓋了材料非線(xiàn)性和幾何非線(xiàn)性等內容，使結構抗火計算變得極其困難，目前還沒(méi)有適合應用于工程設計中的簡(jiǎn)單計算方法，所以這方面的工作成為近來(lái)結構工程研究的熱點(diǎn)。
三、本文研究涉及的主要理論
通過(guò)最近幾年眾多研宄對于薄鋼板墻的研宄，都得出了共同的結論那就是其屈曲并不代表它喪失了承載力。研宄結論還表明薄鋼板剪力墻屈曲后，會(huì )形成類(lèi)似于一系列斜撐拉力帶的形狀，真是因為此種特性，薄鋼板墻在屈曲后仍有較大的彈性側移剛度和抗剪承載力。鋼板剪力墻的優(yōu)點(diǎn)可以總結為(1)結構自重相對不是太大，這樣的結構可以有效地減少基礎費用，同時(shí)可用于基礎承載力不能得到大幅度提升的加固構筑物中;(2)使得建筑使用空間增大，而結構自身占用建筑面積相對小;、(3)用鋼量比純框架方案要小的多，板厚非常小，高厚比為卻很大;(4)鋼板剪力墻雖然達到了屈曲，但其還能繼續受到外荷載作用并承擔;(5)鋼板剪力墻的設置可緩解對梁柱節點(diǎn)區的延性要求;(6)對于現場(chǎng)施工來(lái)說(shuō)，鋼板墻的安裝速度快，工藝相較簡(jiǎn)單。
鋼板剪力墻的英文名是Steel plate Shear walls (簡(jiǎn)稱(chēng)SPSW)，其主要作用是抗剪，而這些剪力主要是由橫向的風(fēng)載和地震力產(chǎn)生。鋼板剪力墻的主要組成部分是梁柱框架以及其內部的填充板。我們把鋼板剪力墻進(jìn)行簡(jiǎn)化(如圖1-3所示)，可以將它看成一個(gè)底部固定，含有由柱組成的翼緣以及由梁組成的加勁助的懸臂板梁。
20世紀中后期，在美國出現了第一種鋼板剪力墻，非加勁厚鋼板墻。當時(shí)是以剪切屈曲應力Ter作為承載能力的極限，借鑒美國標準的中國規范《高層民用建筑鋼結構技術(shù)規程6(JGJ99)》中鋼板剪力墻的設計也采用這一標準⑷。以剪切屈曲應力作為承載能力的極限即不允許墻板發(fā)生屈曲。經(jīng)過(guò)研宄發(fā)現，厚板(寬厚比小于或等于100的墻板)的承載力高、剛度大、耗能高，是很好的抗側力構件，但是缺點(diǎn)是消耗材料量過(guò)大。
四、本文研究的主要內容
目前鋼板墻的種類(lèi)較多，隨著(zhù)研宄的深入，必將出現更多的鋼板墻類(lèi)型，但本文僅選擇“非加勁”鋼板墻作為研究對象，至今為止我國始終還沒(méi)有應用屈曲后非加勁肋鋼板剪力墻，而這種構造形式在國外已經(jīng)廣泛應用，主要還是因為研究不充分阻礙了其工程應用。為服務(wù)設計，本文希望在非加勁墻的設計方法上有所進(jìn)展。另外，在石化建筑中，有很多用來(lái)儲存原料或參與反應的結構，而其大多采用鋼板剪力墻結構作為抗側力結構體系，用其抵抗水平風(fēng)荷載、地震荷載和火災荷載等，如乙稀裂解爐、化肥轉化爐和煉油常減壓爐等結構�；瘜W(xué)反應過(guò)程中有大量的易燃、易爆氣液體通過(guò)管道在箱體結構里傳輸，一旦發(fā)生事故火災，結構承受的巨大荷載會(huì )對其造成很大的威脅。因此，對鋼板剪力墻結構進(jìn)行耐火方面的研究具有很重要的意義。鑒于課題團隊和石化行業(yè)的接觸較多，筆者的研究主要針對鋼結構的石化裂解爐，在塑性極限理論的基礎上，提出在溫度場(chǎng)下的帶有拉應力的TSM模型，然后根據中國規范《建筑結構技術(shù)防火規范》，計算鋼板剪力墻屈曲后的承載力。并通過(guò)數值模擬分別對方形板，窄長(cháng)形板(板長(cháng)L大于板高hs)以及豎長(cháng)型板(板長(cháng)L小于板高hs)來(lái)驗證該公式的有效性。
五、寫(xiě)作提綱
摘要 3-4
ABSTRACT 4
第一章 緒論 8-15
1.1 研究背景與意義 8-9
1.2 建筑結構抗火設計目標 9-10
1.3 結構的抗火性能所需的分析程序 10
1.4 鋼板剪力墻研究現狀 10-13
1.4.1 鋼板墻的構成與優(yōu)點(diǎn) 10-11
1.4.2 鋼板墻的功能 11-12
1.4.3 鋼板墻的分類(lèi)與其性能 12-13
1.5 本文研究主要內容 13-15
第二章 基于《建筑鋼結構技術(shù)防火規范》的鋼板墻抗火極限分析方法 15-31
2.1 鋼板剪力墻抗剪極限承載力理論分析 15-18
2.1.1 幾何模型 15
2.1.2 受剪內嵌鋼板的極限承載力分析 15-18
2.2 屈曲理論 18-20
2.2.1 屈曲基本概念與屈曲理論 18-19
2.2.2 薄厚板的分類(lèi) 19
2.2.3 線(xiàn)性理論與非線(xiàn)性理論 19-20
2.3 火災高溫下的鋼板剪力墻計算模型 20-23
2.3.1 拉力帶模型 20-22
2.3.2 改進(jìn)拉力帶模型 22
2.3.3 火災下鋼板剪力墻模型 22-23
2.4 溫度拉力帶模型的基本假設 23
2.5 塑性極限分析定理 23-25
2.6 火災下鋼板剪力墻屈曲后的強度分析 25-29
2.6.1 拉力帶的傾角α 25-27
2.6.2 鋼板墻承受的水平力V推導過(guò)程(靜力法) 27-29
2.7 小結 29-31
第三章 鋼板墻在熱力耦合下的有限元分析 31-36
3.1 引言 31
3.2 熱力耦合問(wèn)題特征 31-32
3.3 高溫下結構鋼的物理特性 32-33
3.3.1 熱膨脹系數 32
3.3.2 導熱系數 32
3.3.3 比熱容 32
3.3.4 高溫下結構鋼的力學(xué)特性 32
3.3.5 鋼的泊松比 32
3.3.6 應力-應變關(guān)系 32-33
3.4 求解溫度場(chǎng)(有限元法) 33-35
3.5 小結 35-36
第四章 鋼板墻承載力分析 36-56
4.1 鋼板墻承載力分析 36-39
4.1.1 實(shí)驗數據的選取 36
4.1.2 理論計算 36-37
4.1.3 ABAQUS有限元分析 37-38
4.1.4 結果分析 38-39
4.2 矮形鋼板墻(h_s 39-50
4.2.1 實(shí)例分析背景 39
4.2.2 矮形鋼板墻(h_s 39-42
4.2.3 ABAQUS有限元分析 42-49
4.2.4 小結 49-50
4.3 高形鋼板墻(hs>L)承載力分析 50-56
4.3.1 實(shí)例分析背景 50
4.3.2 高形鋼板墻(h_s>L)屈曲后承載力分析 50-51
4.3.3 ABAQUS有限元分析 51-55
4.3.4 小結 55-56
第五章 總結與展望 56-58
5.1 全文總結 56-57
5.2 展望 57-58
參考文獻 58-61
申請學(xué)位期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 61-62
致謝 62
六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻
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