乙烯裂解炉钢板墙结构抗火承载力研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
早自上个世纪90年代，我国的钢产量就开始迅速增长，在1996年时，钢的总产量已然跃居世界榜首[1]? 2014年时，根据数据统计，我国钢产量为11亿吨，这样的大规模生产足以说明钢材对我国发展起着中流砥柱的作用。如今，虽然我国建筑钢结构产业发展迅猛，但是钢结构在建筑领域的用钢仅占总钢产量的4%左右，与国外发达国家10%以上的水平相差甚远[2]。我国建筑钢结构目前的发展虽能得到使用满足，但未来而言，钢结构设计理论体系发展趋势必然是更为成熟与完善，使其迎来黄金发展时期。钢结构的优点是强度较其他材料高，与此同时又能保持良好的軔性，但钢材有个极大的缺点，就是耐火性能较差。虽然钢的材质属于非燃烧体，但在火灾高温持续不断的作用下，当温度达到55(rC左右时，钢材会变软，其屈服强度急剧下降。当温度升至80(rC左右时，钢材基本失去原有形态，刚度和强度几乎变为零[3]。处于高温环境下，尤其是火灾发生时，钢结构的承载能力和变形性能都在持续不断的发生着显著的变化，甚至达到极聚状态，最终以致结构破坏。发生此现象@原因主要是由于钢材本来自身的性能决定的，其中特别是;6学性能，它对温度的敏感性尤为明显。经过数据统计，在15-20分钟内，不做防火保护的钢结构就可能倒塌。由于成产环境的影响，石化钢结构装备建（构）筑物极易受到高温火灾的影响，导致其容易遭受更加严重的损坏。对于石化装备钢结构建筑物的各个部分组成，其主要涵盖了这样几种结合方式：钢框架与剪力墙结构的结合、设备与管廊钢框架结构的结合以及箱体钢板剪力墙结构等。有关统计表明：石油化工企业的火灾约占城市重特大火灾的25%以上，数据足以表明研究其的重要性。在石油化工装置的生产过程中，大量易燃、易爆气体通过管道在大型石化装备建（构）筑物中传送，使之成为为火灾高危行业。上世纪80至90年代，有关研究在安全工程学科中发展出一种"性能化防火设计方法[4]，根据可能发生火灾的场景，确定火灾对结构的不利影响，从而设定安全目标。
二、研究目的和意义
在建筑钢结构形式的领域范围内，主要是研究材料的抗火性能。结构在火灾下的强度、刚度、变形、承载力、整体建筑结构耐火时间以及结构抗火构造等，即：在使用力学工具计算的同时，有依据的来研究钢结构建（构）筑物在火灾高温下的安全性能。然而由于有限的结构力学计算模型涵盖了材料非线性和几何非线性等内容，使结构抗火计算变得极其困难，目前还没有适合应用于工程设计中的简单计算方法，所以这方面的工作成为近来结构工程研究的热点。
三、本文研究涉及的主要理论
通过最近几年众多研宄对于薄钢板墙的研宄，都得出了共同的结论那就是其屈曲并不代表它丧失了承载力。研宄结论还表明薄钢板剪力墙屈曲后，会形成类似于一系列斜撑拉力带的形状，真是因为此种特性，薄钢板墙在屈曲后仍有较大的弹性侧移刚度和抗剪承载力。钢板剪力墙的优点可以总结为(1)结构自重相对不是太大，这样的结构可以有效地减少基础费用，同时可用于基础承载力不能得到大幅度提升的加固构筑物中；(2)使得建筑使用空间增大，而结构自身占用建筑面积相对小；、(3)用钢量比纯框架方案要小的多，板厚非常小，高厚比为却很大；(4)钢板剪力墙虽然达到了屈曲，但其还能继续受到外荷载作用并承担；(5)钢板剪力墙的设置可缓解对梁柱节点区的延性要求；(6)对于现场施工来说，钢板墙的安装速度快，工艺相较简单。
钢板剪力墙的英文名是Steel plate Shear walls (简称SPSW)，其主要作用是抗剪，而这些剪力主要是由横向的风载和地震力产生。钢板剪力墙的主要组成部分是梁柱框架以及其内部的填充板。我们把钢板剪力墙进行简化（如图1-3所示），可以将它看成一个底部固定，含有由柱组成的翼缘以及由梁组成的加劲助的悬臂板梁。
20世纪中后期，在美国出现了第一种钢板剪力墙，非加劲厚钢板墙。当时是以剪切屈曲应力Ter作为承载能力的极限，借鉴美国标准的中国规范《高层民用建筑钢结构技术规程6(JGJ99)》中钢板剪力墙的设计也采用这一标准⑷。以剪切屈曲应力作为承载能力的极限即不允许墙板发生屈曲。经过研宄发现，厚板（宽厚比小于或等于100的墙板）的承载力高、刚度大、耗能高，是很好的抗侧力构件，但是缺点是消耗材料量过大。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
目前钢板墙的种类较多，随着研宄的深入，必将出现更多的钢板墙类型，但本文仅选择“非加劲”钢板墙作为研究对象，至今为止我国始终还没有应用屈曲后非加劲肋钢板剪力墙，而这种构造形式在国外已经广泛应用，主要还是因为研究不充分阻碍了其工程应用。为服务设计，本文希望在非加劲墙的设计方法上有所进展。另外，在石化建筑中，有很多用来储存原料或参与反应的结构，而其大多采用钢板剪力墙结构作为抗侧力结构体系，用其抵抗水平风荷载、地震荷载和火灾荷载等，如乙稀裂解炉、化肥转化炉和炼油常减压炉等结构。化学反应过程中有大量的易燃、易爆气液体通过管道在箱体结构里传输，一旦发生事故火灾，结构承受的巨大荷载会对其造成很大的威胁。因此，对钢板剪力墙结构进行耐火方面的研究具有很重要的意义。鉴于课题团队和石化行业的接触较多，笔者的研究主要针对钢结构的石化裂解炉，在塑性极限理论的基础上，提出在温度场下的带有拉应力的TSM模型，然后根据中国规范《建筑结构技术防火规范》，计算钢板剪力墙屈曲后的承载力。并通过数值模拟分别对方形板，窄长形板（板长L大于板高hs)以及竖长型板（板长L小于板高hs)来验证该公式的有效性。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 3-4
ABSTRACT 4
第一章 绪论 8-15
1.1 研究背景与意义 8-9
1.2 建筑结构抗火设计目标 9-10
1.3 结构的抗火性能所需的分析程序 10
1.4 钢板剪力墙研究现状 10-13
1.4.1 钢板墙的构成与优点 10-11
1.4.2 钢板墙的功能 11-12
1.4.3 钢板墙的分类与其性能 12-13
1.5 本文研究主要内容 13-15
第二章 基于《建筑钢结构技术防火规范》的钢板墙抗火极限分析方法 15-31
2.1 钢板剪力墙抗剪极限承载力理论分析 15-18
2.1.1 几何模型 15
2.1.2 受剪内嵌钢板的极限承载力分析 15-18
2.2 屈曲理论 18-20
2.2.1 屈曲基本概念与屈曲理论 18-19
2.2.2 薄厚板的分类 19
2.2.3 线性理论与非线性理论 19-20
2.3 火灾高温下的钢板剪力墙计算模型 20-23
2.3.1 拉力带模型 20-22
2.3.2 改进拉力带模型 22
2.3.3 火灾下钢板剪力墙模型 22-23
2.4 温度拉力带模型的基本假设 23
2.5 塑性极限分析定理 23-25
2.6 火灾下钢板剪力墙屈曲后的强度分析 25-29
2.6.1 拉力带的倾角α 25-27
2.6.2 钢板墙承受的水平力V推导过程(静力法) 27-29
2.7 小结 29-31
第三章 钢板墙在热力耦合下的有限元分析 31-36
3.1 引言 31
3.2 热力耦合问题特征 31-32
3.3 高温下结构钢的物理特性 32-33
3.3.1 热膨胀系数 32
3.3.2 导热系数 32
3.3.3 比热容 32
3.3.4 高温下结构钢的力学特性 32
3.3.5 钢的泊松比 32
3.3.6 应力-应变关系 32-33
3.4 求解温度场(有限元法) 33-35
3.5 小结 35-36
第四章 钢板墙承载力分析 36-56
4.1 钢板墙承载力分析 36-39
4.1.1 实验数据的选取 36
4.1.2 理论计算 36-37
4.1.3 ABAQUS有限元分析 37-38
4.1.4 结果分析 38-39
4.2 矮形钢板墙(h_s 39-50
4.2.1 实例分析背景 39
4.2.2 矮形钢板墙(h_s 39-42
4.2.3 ABAQUS有限元分析 42-49
4.2.4 小结 49-50
4.3 高形钢板墙(hs>L)承载力分析 50-56
4.3.1 实例分析背景 50
4.3.2 高形钢板墙(h_s>L)屈曲后承载力分析 50-51
4.3.3 ABAQUS有限元分析 51-55
4.3.4 小结 55-56
第五章 总结与展望 56-58
5.1 全文总结 56-57
5.2 展望 57-58
参考文献 58-61
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 61-62
致谢 62
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
[1]沈祖炎，温东辉，李元齐.中国建筑钢结构技术发展现状及展望[J].建筑结构，2009. 39(9)： 15-24.
[2]沈祖炎，李元齐.促进我国建筑钢结构产业发展的几点思考[J].建筑钢结构进展，2009. 11(4)： 15-21.
[3]李国强，蒋首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计，北京：中国建筑工业出版社，1999.
[4] SABOURI-GHOMI S, GHOLHAKI M.Ductility of Thin Steel Plate Shear Walls[J]. Asian Journal of Civil Engineering: Building and Housing, 2008, 9(2):153-166.
[5] CAN/CSA-S16-01，Limit States Design of Steel Structures [S].
[6] FEMA 450, Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildingsand Other Structures [S].
[7]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M]. 2版.北京：中国建筑工业出版社，2004.
[8]夏志斌，潘有昌.结构稳定理论[M].北京：高等教育出版社，1988.
[9] Thorburn L J，Kulak G L, Montgomery C J. Analysis of steel plate shear walls [R].No. 107. Edmonton: Department of Civil Engineering, University o f Alberta,1983.
[10]Timler, P.A, Kulak G.L. Experimental study of steel plate shear walls. Struct.Engrg Rep.No. 114’ Dept. of Civil Engineering，University of Alberta, Edmonton,Canada, 1983.
[11] Shishkin J.J，Driver R.Q & Grondin G Y. Analysis of steel plate shear walls usingthe modified strip model. Struct. Engrg Rep. No. 261，Dept. of Civil andEnvironmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, Canada, 2005.
[12]Kang-Hai Tan, Zhen-Hai Qian. Experimental behaviour of a thermally restrained plategirder loaded in shear at elevated temperature. Journal of Constructional Steel Research,2008，64: 596-606.
[13]Vanissorn Vimonsatit, Kang-Hai Tan, Seng-Kiong Ting. Shear strength of plategirder web panel at elevated temperature. Journal of Constructional Steel Research,2007, 63:1442-145.
[14]张荣刚.石化装备钢结构抗火力学行为与倒塌控制技术研究.北京：清华大学.
[15]李国强，蒋首超，林桂祥，等.钢结构抗火计算与设计.北京：中国建筑工业出版社，1999.
[16]王丽.搅拌摩擦焊接热力耦合[D].兰州：兰州理工大学，2007.
[17]Melnik R V N. Convergence of the operator-difference scheme to generalisedsolution of a coupled field theory problem [J]. J Difference Equations Appl. 1998，4(2): 185-212.
[18]中国石油大学科技开发公司.欢喜油田稠油井套损研宄及对策[R].[出版者不详]，2006.
[19] Jeffrey Berman，Michel Bruneau. Plastic Analysis and Design of Steel Plate Shear Walls.
[20]中国工程建设标准化协会标准.CECS200： 2006.建筑钢结构防火技术规范.北京：中国计划出版社2006.
[21]李引擎.建筑防火性能化设计.北京：化学工业出版社，2005. 8:1-8.
[22] JGJ98,高层民用建筑钢结构技术规程[S]. JGJ98, Technical Specificationfor Steel Structure of Tall Buildings [S].
[23] ASTANEH-ASL A. Seismic Behavior and Design of Steel Plate Shear Walls [R].Berkeley: University of California, 2001.
[24]陈国栋，郭彦林，范珍等.钢板剪力墙低周反复荷载试验研宄[J].建筑结构学报，2004，25(2)： 19-26. CHEN Guodong, GUO Yan-lin, FANZhen, etal. Cyclic Test of Steel Plate Shear Walls [J]. Journal of Building Structures, 2004,25(2)： 19-26.
[25]陈铁云，沈惠中.结构的屈曲.上海：上海科学技术文献出版社，1993.
[26]张宏涛，张荣钢，白玉星，徐秉业等.钢框架整体结构的抗火极限安全分析.工程力学.2008，25(8)： 121-136
[27] Driver R Q Kulak G L, Kennedy D J L，et al. Cyclic test of four-story steel plate shear wallJournal of Structural Engineering, ASCE, 1998，124 (2 ): 112-120.[26] Sabouri-Ghomi S，Ventura C W，Kharrazi M H K. Shear analysis and design of ductilesteel plate walls. Journal of Structural Engineering, ASCE, 2005，131(6): 878-889.
[28]吴连元?板壳理论.上海：上海交通大学出版社，1989.
[29] K.A.Atevens，R.Ricci and GA.O.Davies. Buckling and post-buckling ofcomposite structures. Composites，1995，26(3)： 189-199.
[30] Andrew H.Buchanan. Structural Design for Fire safety. JOHN WILEY&SONS, LTD.2001