考虑结构整体性的组合梁抗火性能研究

【摘要】：传统的钢结构抗火设计方法是基于构件基础上的，即将构件从整体结构中提取出来进行抗火试验和设计，而实际上，结构是一个高次超静定结构，结构的这种特性会导致处于结构整体中的构件与单个构件的抗火性能具有很大不同，基于构件的设计方法既不科学也不经济，会导致或偏于保守或偏于危险的结果。组合梁是实际应用很普遍的一种结构形式，但其处于结构整体中的抗火性能、承载机理以及抗火设计方法仍然没有针对性的试验和理论研究成果。 为此，本文进行了如下工作： 1．总结了当前结构抗火的研究进展，选择了适合于本文研究的高温下材料模型。 2．借助于验证后的有限元程序Ansys，对平板型组合梁和压型钢板组合梁进行了温度场参数分析，建立了温度场分布模型，并拟合出了确定温度场各个参数的实用计算方法。这是进行组合梁抗火性能分析的基础。 3．根据试验炉的条件按常用的跨高比、荷载比等条件设计了试验梁，并采用模拟实际结构刚度的约束框架为试验梁提供边界条件；进行了常温下混凝土、钢梁以及钢筋的材性试验及约束组合梁抗火试验，研究了组合梁的温度场分布特点，约束组合梁的承载特点、破坏特征，并与无约束的组合梁抗火性能和约束的钢梁抗火性能进行了对比；组合梁抗火试验数据为验证组合梁抗火能力的理论分析方法提供依据。 4．在对约束组合梁进行合理假定的基础上，分析了平板型组合梁和压型钢板组合梁正弯矩区和负弯矩区的应力分布，建立了一定曲率下的承载能力计算方法，并建立了塑性极限状态时承载能力(包括弯矩和轴力)计算方法。研究了截面温度分布对组合梁挠度的影响和组合梁轴向刚度计算方法，在此基础上建立了基于刚度——位移的轴力计算方法；给出了组合梁火灾全过程计算方法并与试验结果进行了对比。分析了火灾中下翼缘屈曲的原因，建立了屈曲后截面承载能力的计算方法。 5．利用试验验证的理论计算方法，对影响组合梁抗火性能的变量，包括荷载比、约束刚度、钢梁与混凝土相对面积比、配筋量、温度梯度进行了参数分析；对各个参数的影响程度和原因进行了分析。 6．提出了约束组合梁抗火设计的实用计算方法。 总之，本文通过有限元分析、试验及理论研究，阐明了约束组合梁的抗火性能及承载机理，建立了约束组合梁抗火承载能力的全过程分析方法，并提出了约束组合梁抗火设计的实用计算方法，为抗火设计工程师提供了依据。