基于Abaqus薄壁钢梁柱结构火灾引起屈曲坍塌的模拟

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本文摘要（由AI生成）：

本文提出了两种新的低计算成本建模策略，即单梁柱模型（SbcM）和十字形梁柱模型（CbcM），以解决在火灾中 Class 4 钢梁柱的弯扭屈曲（FTB）强度预测问题。与传统的壳体模型相比，这两种模型提供了更快的计算速度，并且能够有效地模拟梁柱的 FTB 行为。

基于论文

《New beam-based models for fire-induced buckling analysis of class 4 steel columns》

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26951

摘要

薄壁钢截面容易在火灾中产生屈曲不稳定性，降低了其承载能力,从而导致结构坍塌。Eurocode 3的设计规定被发现不足，因此采用了替代方法，如有效的设计策略和主要基于壳体有限元的先进结构模型，尽管这些模型可能较为复杂。针对受火灾条件影响的钢梁柱，提出了梁建模作为预测弯扭屈曲（FTB）强度的替代方法，但在大压力偏心加载时并未取得令人满意的结果。本文介绍了两种新的低计算成本建模策略，基于Timoshenko梁有限元，以解决这一问题：单梁柱模型（SbcM）和十字形梁柱模型（CbcM）。第一种由单条梁有限元组成，而第二种使用梁有限元的网格以获得更大的灵活性。这两种策略都能有效模拟在火灾中Class 4钢梁柱的FTB行为，相较于壳体模型，提供更快的计算速度。尽管如此，由于其简单性，单线模型更受青睐，使其在分析复杂的火灾工程问题时更加高效。

方法概述：

薄壁钢梁柱在火灾暴露下发生的FTB现象充满了复杂性，包括正确定义边界条件、几何和材料的非线性、初始几何和材料缺陷、热膨胀效应、受限引起的应力，以及载荷和温度应力的组合。所有这些事件都意味着该问题必须通过静态或动态的几何和材料非线性分析来解决，包括缺陷（GMNIA）。因此，本文提出的建模策略采用静态GMNIA来解决问题。测得的缺陷被引入到初始几何中，而材料缺陷被分配到元素横截面的节点。GMNIA方法包括非线性屈曲和屈曲后分析，需要非线性稳定技术来克服不稳定。屈曲后分析的不稳定性与结构一致。因此，非线性稳定被应用于不稳定的节点，大位移发生在这些节点。当非线性稳定不能恢复问题的稳定性时，计算终止。因此，屈曲失效与无法保持结构稳定一致。因此，当柱子由于不稳定性而屈曲时，模拟过程自动结束，使停止标准对所有模型都是一致的。使用7步GMNIA进行模拟，下面逐步解释。1. 有限元模型。设计模型并确定适当的边界条件。2. 线性屈曲分析。3. 初始几何缺陷。4. 初始材料缺陷。分配内部残余应力。5. GMNIA初始阶段：机械加载。施加压缩轴向载荷，模拟柱端的弯矩，模拟偏心，初始温度，并激活重力。6. GMNIA第二阶段：加热。使用前一阶段的机械载荷，逐渐施加每小时200°C的温度增量，直到发生屈曲失效。7. 监测温度变化下的位移结果。记录屈曲失效时的温度和位移。