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非均匀受火的方钢管混凝土柱抗火性能与设计

吕学涛  
【摘要】: 方钢管混凝土柱充分利用了钢材和混凝土的材料特性,具有抗弯性能好、施工方便、抗火性能好等优点,在国内外高层与超高层建筑中得到广泛应用。因钢管外露,方钢管混凝土柱的抗火性能与设计是其在工程实践中的关键问题之一。现有研究和现行规范及规程多假设其四面均匀受火,而实际火灾中方钢管混凝土柱也可能承受非均匀火灾作用,如单面火灾、两面火灾以及三面火灾作用等。背火面的形成,不同程度地降低了方钢管混凝土柱的整体温度,亦使材料的损伤程度较四面均匀受火情况有所减轻;受火方式的改变,使方钢管混凝土柱产生温度变形和附加偏心距,使非均匀受火的方钢管混凝土柱的受力机理和抗火性能与四面受火情况有较大差异。为此,进行了单面、相对两面及三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限和抗火性能的试验研究与理论分析,具体包括以下四部分: (1)三面、单面受火的方钢管混凝土柱抗火性能试验研究 进行了4根三面受火和2根单面受火的方钢管混凝土柱足尺明火抗火性能试验,主要参数包括荷载比、荷载偏心距和受火方式。获得了两种火灾方式作用下的方钢管混凝土柱的变形全过程及破坏模式,实测了截面特征点温度、轴向变形、柱中侧向变形以及耐火极限等热学和力学参数。 (2)方钢管混凝土柱截面温度分布及参数分析 基于构成方钢管混凝土柱的钢材、混凝土以及防火保护层的热工性能模型,利用ANSYS有限元分析软件,建立了可考虑界面热阻的方钢管混凝土柱在单面、相对两面、三面及四面火灾作用下的截面温度场分析模型,并用现有试验结果进行了模型验证。分析了上述火灾作用下方钢管混凝土柱截面的典型温度场及分布规律,研究了升温时间、含钢率、截面边长以及防火保护层厚度对不同火灾作用下方钢管混凝土柱截面温度分布的影响规律。 (3)方钢管混凝土柱耐火极限与抗火性能理论分析 收集整理了钢材和混凝土在高温下的热膨胀系数、强度、弹性模量以及应力-应变关系模型,确定了适合本文的材料热力学参数。利用Fortran90编制了基于恒载升温作用路径的方钢管混凝土柱在单面、相对两面、三面以及四面火灾作用下的耐火极限与抗火性能理论分析程序。利用本文进行的三面、单面火灾试验结果以及其他研究者的相关试验数据,验证了提出的理论分析模型。在此基础上,研究了不同受火条件下方钢管混凝土柱轴向变形-时间关系曲线与侧向变形-时间关系曲线,分析了不同受火方式对方钢管混凝土柱抗火性能的作用机理和影响规律。 (4)非均匀受火的方钢管混凝土柱耐火极限参数分析与抗火设计 进行了单面、相对两面、三面以及四面火灾作用下方钢管混凝土柱耐火极限的参数分析,分析了荷载比、截面边长、长细比、荷载偏心率、钢材和混凝土强度、含钢率以及保护层厚度的影响规律。在工程常用范围内,提出了单面、相对两面和三面火灾作用下方钢管混凝土柱的剩余承载力简化计算公式,并提供了满足不同防火等级的方钢管混凝土柱所需的厚涂型防火防护层厚度设计建议。


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