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耐火钢组合梁与钢管混凝土柱相关问题研究

蒋翔  
【摘要】:20世纪90年代以来,国内外学者针对组合梁的抗火性能进行了大量的试验和理论研究,但钢材多为普通钢,也有学者对耐火钢构件和耐火钢-钢管混凝土柱的抗火性能进行了分析,而未曾有对耐火钢-混凝土组合梁抗火性能的研究。本文对耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能进行研究分析,完成的主要工作和取得成果包括:在ISO-834标准升温条件下,对2个耐火钢-混凝土组合梁和1个普通钢-混凝土组合梁进行抗火试验。研究耐火钢-混凝土组合梁在火灾下的承载特征和防火涂料厚度对其抗火性能的影响,对比同等条件下采用相同强度等级普通钢的组合梁的抗火性能,考察耐火钢替换普通钢对钢-混凝土组合梁抗火性能的提高和改善程度。试验结果表明,可以取跨中挠度达到梁跨的1/30作为简支耐火钢-混凝土组合梁达到耐火极限状态的界限。一定的火灾和荷载等条件下,采用相同强度等级耐火钢的钢-混凝土组合梁比普通钢组合梁具有更好的抗火性能,可减小建筑物的防火涂层厚度。运用基于有限元软件ABAQUS建立的分析模型分别对采用防火涂料和防火板保护的耐火钢-混凝土组合梁标准升温下的抗火性能进行模拟,分析荷载比,防火保护层,材料强度,截面尺寸,混凝土楼板中纵向钢筋等因素对耐火钢-混凝土组合梁抗火性能的影响。结果表明:荷载比和防火保护层厚度是影响耐火钢-混凝土组合梁抗火性能最重要的两个因素。当荷载比为0.5~0.7时,使用耐火钢替换普通钢后组合梁的耐火极限提高35%~400%,可以减小防火涂料厚度30%左右。采用我国规范(CECS200:2006)中的方法计算耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限,荷载比较小时偏保守。基于舞钢耐火钢Q345-FR钢板高温力学性能试验结果,采用有限元方法对耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能进行高温稳态分析和瞬态分析,得到标准升温下耐火钢-混凝土组合梁截面抗弯极限承载力-时间曲线和一定荷载比下组合梁的耐火极限。考察混凝土板尺寸、钢梁截面尺寸、涂料厚度、荷载比等参数对高温下组合梁承载力和耐火极限的影响。提出耐火钢-混凝土组合梁高温下承载力和耐火极限计算公式,公式计算结果与有限元结果非常吻合。将有限元计算结果与规程CECS200:2006方法的计算结果进行对比分析,结果表明规程方法偏于保守,受火时间越长,保守程度越大。本文发现,将腹板和下翼缘的温度分开计算更为合理,并依此提出了建议。分析单侧受火的耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能和承载力,对相关影响因素进行参数分析,结果表明各因素对单侧受火的耐火钢-混凝土组合梁抗火性能的影响和三面受火时类似。和三面受火的耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能进行比较,一定条件下,单侧受火时组合梁的耐火极限比三面受火时提高1倍以上。耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能是本文的最主要的研究内容,本文还对矩形钢管混凝土构件的性能进行了一些基础试验,并研究了宽厚比对钢管混凝土轴压短柱承载力退化的影响。具体内容包括:对四组钢管混凝土构件进行试验:混凝土与冷弯钢管的粘结力的推出试验;冷弯钢管混凝土柱宽厚比试验;钢管混凝土梁受弯试验;钢管混凝土长柱轴压承载力试验。研究冷弯矩形钢管与混凝土之间的粘结力,共同工作性能,矩形钢管混凝土短柱的承载力和延性以及矩形钢管混凝土长柱的轴压承载力和稳定性。在钢管混凝土短柱轴压试验的基础上,分析宽厚比对钢管混凝土轴压短柱屈曲后剩余承载力的影响。运用ABAQUS有限元软件计算不同宽厚比的矩形钢管混凝土轴压短柱屈曲后的剩余承载力。结果表明,宽厚比对钢管混凝土轴压短柱屈曲后的剩余承载力有较大影响,宽厚比为60ε时,矩形钢管混凝土短柱剩余承载力可能下降到极限承载力的0.65。因此本文建议,对于以轴压抵抗地震作用的钢管混凝土柱构件(例如作为支撑架弦杆的立柱),建议宽厚比限值更严格至50ε,同时控制套箍系数限值为1.5。


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