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三面受火的矩形钢管混凝土柱抗火性能研究

刘发起  
【摘要】: 钢管混凝土以其承载力高、塑性韧性好、施工方便及抗火性能好等优点,在多、高层建筑中得到了广泛的应用。矩形钢管混凝土柱作为钢管混凝土结构的一种重要的构件形式,除兼具上述优点外,还因其抗弯刚度大、节点构造简单而备受结构工程师的青睐。结构的抗火性能是决定结构能否安全工作的重要因素之一,现行钢管混凝土结构的抗火规范或规程,如《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)和《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ13-51-2003)等,均假设钢管混凝土柱承受四面火灾作用,而实际结构中由于墙体的阻隔作用,框架柱除可能承受四面均匀火灾作用之外,尚可能遭遇三面火灾作用。由于非对称的温度分布,构件截面材料的劣化程度也非对称,导致截面材料的强度中心发生偏移,从而形成附加的偏心距;此外,非对称的温度分布导致柱子受火面膨胀变形大,背火面膨胀变形小,从而产生向受火面挠曲的附加变形。综上所述,矩形钢管混凝土柱三面受火与四面受火存在诸多差异,有必要对三面受火矩形钢管混凝土柱的抗火性能进行研究。据此,本文对三面受火的矩形钢管混凝土柱进行了试验研究和有限元分析,具体包括以下三部分内容: (1)三面受火的矩形钢管混凝土柱试验研究和分析 进行了2根三面受火1根四面受火的矩形钢管混凝土柱足尺抗火试验,实测了受火全过程中构件的截面关键位置的温度、轴向变形和侧向挠曲,获得了三面受火的矩形钢管混凝土柱的破坏模式,基于试验数据,分析了荷载比和受火边界对耐火极限的影响规律。 (2)三面受火的矩形钢管混凝土柱有限元分析 基于ABAQUS建立了可用于分析三面受火的矩形钢管混凝土柱温度场和抗火性能的三维有限元分析模型,并得到了相关试验验证。进而对三面受火的矩形钢管混凝土柱的受力机理进行了深入研究,包括矩形钢管混凝土柱的温度分布、破坏模式、应力应变的分布以及发展等。 (3)三面受火的矩形钢管混凝土柱抗火性能的参数分析 进行了三面受火的矩形钢管混凝土柱抗火性能的参数分析,包括升温时间、截面尺寸、含钢率、保护层厚度和截面高宽比对温度场的影响规律;荷载比、截面周长、长细比、含钢率、钢材强度、混凝土抗压强度、荷载偏心率、截面高宽比和保护层厚度对耐火极限的影响规律;提出了可考虑不同背火边界的三面受火矩形钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式,以期为工程应用提供参考。


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