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結(jié)構(gòu)工程論文開題報(bào)告范文
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論文題目：乙烯裂解爐鋼板墻結(jié)構(gòu)抗火承載力研究
一、選題背景
早自上個(gè)世紀(jì)90年代，我國的鋼產(chǎn)量就開始迅速增長，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(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鋼產(chǎn)量為11億噸，這樣的大規(guī)模生產(chǎn)足以說明鋼材對我國發(fā)展起著中流砥柱的作用。如今，雖然我國建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但是鋼結(jié)構(gòu)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(dá)國家10%以上的水平相差甚遠(yuǎn)[2]。我國建筑鋼結(jié)構(gòu)目前的發(fā)展雖能得到使用滿足，但未來而言，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論體系發(fā)展趨勢必然是更為成熟與完善，使其迎來黃金發(fā)展時(shí)期。鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)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(zāi)高溫持續(xù)不斷的作用下，當(dāng)溫度達(dá)到55(rC左右時(shí)，鋼材會變軟，其屈服強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)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(qiáng)度幾乎變?yōu)榱鉡3]。處于高溫環(huán)境下，尤其是火災(zāi)發(fā)生時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和變形性能都在持續(xù)不斷的發(fā)生著顯著的變化，甚至達(dá)到極聚狀態(tài)，最終以致結(jié)構(gòu)破壞。發(fā)生此現(xiàn)象@原因主要是由于鋼材本來自身的性能決定的，其中特別是;6學(xué)性能，它對溫度的敏感性尤為明顯。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在15-20分鐘內(nèi)，不做防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)就可能倒塌。由于成產(chǎn)環(huán)境的影響，石化鋼結(jié)構(gòu)裝備建(構(gòu))筑物極易受到高溫火災(zāi)的影響，導(dǎo)致其容易遭受更加嚴(yán)重的損壞。對于石化裝備鋼結(jié)構(gòu)建筑物的各個(gè)部分組成，其主要涵蓋了這樣幾種結(jié)合方式：鋼框架與剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)合、設(shè)備與管廊鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)合以及箱體鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)等。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：石油化工企業(yè)的火災(zāi)約占城市重特大火災(zāi)的25%以上，數(shù)據(jù)足以表明研究其的重要性。在石油化工裝置的生產(chǎn)過程中，大量易燃、易爆氣體通過管道在大型石化裝備建(構(gòu))筑物中傳送，使之成為為火災(zāi)高危行業(yè)。上世紀(jì)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(shè)計(jì)方法[4]，根據(jù)可能發(fā)生火災(zāi)的場景，確定火災(zāi)對結(jié)構(gòu)的不利影響，從而設(shè)定安全目標(biāo)。
二、研究目的和意義
在建筑鋼結(jié)構(gòu)形式的領(lǐng)域范圍內(nèi)，主要是研究材料的抗火性能。結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的強(qiáng)度、剛度、變形、承載力、整體建筑結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間以及結(jié)構(gòu)抗火構(gòu)造等，即：在使用力學(xué)工具計(jì)算的同時(shí)，有依據(jù)的來研究鋼結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物在火災(zāi)高溫下的安全性能。然而由于有限的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型涵蓋了材料非線性和幾何非線性等內(nèi)容，使結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算變得極其困難，目前還沒有適合應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中的簡單計(jì)算方法，所以這方面的工作成為近來結(jié)構(gòu)工程研究的熱點(diǎn)。
三、本文研究涉及的主要理論
通過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(jié)論那就是其屈曲并不代表它喪失了承載力。研宄結(jié)論還表明薄鋼板剪力墻屈曲后，會形成類似于一系列斜撐拉力帶的形狀，真是因?yàn)榇朔N特性，薄鋼板墻在屈曲后仍有較大的彈性側(cè)移剛度和抗剪承載力。鋼板剪力墻的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為(1)結(jié)構(gòu)自重相對不是太大，這樣的結(jié)構(gòu)可以有效地減少基礎(chǔ)費(fèi)用，同時(shí)可用于基礎(chǔ)承載力不能得到大幅度提升的加固構(gòu)筑物中;(2)使得建筑使用空間增大，而結(jié)構(gòu)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(dá)到了屈曲，但其還能繼續(xù)受到外荷載作用并承擔(dān);(5)鋼板剪力墻的設(shè)置可緩解對梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的延性要求;(6)對于現(xiàn)場施工來說，鋼板墻的安裝速度快，工藝相較簡單。
鋼板剪力墻的英文名是Steel plate Shear walls (簡稱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(nèi)部的填充板。我們把鋼板剪力墻進(jìn)行簡化(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(jì)中后期，在美國出現(xiàn)了第一種鋼板剪力墻，非加勁厚鋼板墻。當(dāng)時(shí)是以剪切屈曲應(yīng)力Ter作為承載能力的極限，借鑒美國標(biāo)準(zhǔn)的中國規(guī)范《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6(JGJ99)》中鋼板剪力墻的設(shè)計(jì)也采用這一標(biāo)準(zhǔn)⑷。以剪切屈曲應(yīng)力作為承載能力的極限即不允許墻板發(fā)生屈曲。經(jīng)過研宄發(fā)現(xiàn)，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(cè)力構(gòu)件，但是缺點(diǎn)是消耗材料量過大。
四、本文研究的主要內(nèi)容
目前鋼板墻的種類較多，隨著研宄的深入，必將出現(xiàn)更多的鋼板墻類型，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有應(yīng)用屈曲后非加勁肋鋼板剪力墻，而這種構(gòu)造形式在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用，主要還是因?yàn)檠芯坎怀浞肿璧K了其工程應(yīng)用。為服務(wù)設(shè)計(jì)，本文希望在非加勁墻的設(shè)計(jì)方法上有所進(jìn)展。另外，在石化建筑中，有很多用來儲存原料或參與反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，而其大多采用鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，用其抵抗水平風(fēng)荷載、地震荷載和火災(zāi)荷載等，如乙稀裂解爐、化肥轉(zhuǎn)化爐和煉油常減壓爐等結(jié)構(gòu)。化學(xué)反應(yīng)過程中有大量的易燃、易爆氣液體通過管道在箱體結(jié)構(gòu)里傳輸，一旦發(fā)生事故火災(zāi)，結(jié)構(gòu)承受的巨大荷載會對其造成很大的威脅。因此，對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火方面的研究具有很重要的意義。鑒于課題團(tuán)隊(duì)和石化行業(yè)的接觸較多，筆者的研究主要針對鋼結(jié)構(gòu)的石化裂解爐，在塑性極限理論的基礎(chǔ)上，提出在溫度場下的帶有拉應(yīng)力的TSM模型，然后根據(jù)中國規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)防火規(guī)范》，計(jì)算鋼板剪力墻屈曲后的承載力。并通過數(shù)值模擬分別對方形板，窄長形板(板長L大于板高h(yuǎn)s)以及豎長型板(板長L小于板高h(yuǎn)s)來驗(yàn)證該公式的有效性。
五、寫作提綱
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(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)目標(biāo) 9-10
1.3 結(jié)構(gòu)的抗火性能所需的分析程序 10
1.4 鋼板剪力墻研究現(xiàn)狀 10-13
1.4.1 鋼板墻的構(gòu)成與優(yōu)點(diǎn) 10-11
1.4.2 鋼板墻的功能 11-12
1.4.3 鋼板墻的分類與其性能 12-13
1.5 本文研究主要內(nèi)容 13-15
第二章 基于《建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)防火規(guī)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(nèi)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 19
2.2.3 線性理論與非線性理論 19-20
2.3 火災(zāi)高溫下的鋼板剪力墻計(jì)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(zāi)下鋼板剪力墻模型 22-23
2.4 溫度拉力帶模型的基本假設(shè) 23
2.5 塑性極限分析定理 23-25
2.6 火災(zāi)下鋼板剪力墻屈曲后的強(qiáng)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(dǎo)過程(靜力法) 27-29
2.7 小結(jié) 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 熱力耦合問題特征 31-32
3.3 高溫下結(jié)構(gòu)鋼的物理特性 32-33
3.3.1 熱膨脹系數(shù) 32
3.3.2 導(dǎo)熱系數(shù) 32
3.3.3 比熱容 32
3.3.4 高溫下結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)特性 32
3.3.5 鋼的泊松比 32
3.3.6 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 32-33
3.4 求解溫度場(有限元法) 33-35
3.5 小結(jié) 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(yàn)數(shù)據(jù)的選取 36
4.1.2 理論計(jì)算 36-37
4.1.3 ABAQUS有限元分析 37-38
4.1.4 結(jié)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(jié) 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(jié) 55-56
第五章 總結(jié)與展望 56-58
5.1 全文總結(jié) 56-57
5.2 展望 57-58
參考文獻(xiàn) 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(xiàn)
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