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方钢管混凝土柱与工字梁节点抗火性能有限元分析

俞军峰  
【摘要】:随着现代建筑高层化、大型化和复杂化的发展,建筑火灾造成的危害也更加严重。钢管混凝土组合结构具有强度高、塑性和韧性好、施工简便、抗火性以及经济效果好等优点,使其在现代建筑中的应用愈加广泛。在不同的结构设计中梁柱节点的形式也会有所不同,作为整体框架承载受力的关键部位,对节点性能的研究是结构工程的重要内容。本文对应用较为普遍的外隔板式方钢管混凝土柱与工字梁节点的抗火性能进行有限元分析研究,研究内容主要包括以下三个方面:(1)根据确定的常温下钢材和混凝土力学参数和本构关系,采用ANSYS有限元软件对常温下外隔板式方钢管混凝土柱与工字梁节点承载力进行有限元计算,求得节点常温下的承载力,分析节点承载过程中的受力状态,对影响节点承载力的因素进行参数化分析。通过研究表明:钢材强度对于节点承载力的影响最为明显;其次,在梁的几何参数中,通过提高梁截面高度来提高节点承载力最节省钢材用量;外隔板的宽度对节点承载力的影响较小。(2)根据确定的高温下钢材和混凝土的热工参数和火灾模型,采用ANSYS有限元软件对外隔板式方钢管混凝土柱与工字梁节点进行ISO-834标准火灾升温条件下的热分析,求得节点的温度场,分析在钢管混凝土柱长度方向和截面上的温度场分布规律。通过参数分析可知,涂装防火涂层可以有效地降低火灾下构件的温度;混凝土楼板能减缓非受火面的温升速率而达到隔火的效果,但这种隔火效果在;核心混凝土的存在可以吸收钢管的热量而降低钢管温度。(3)综合组合结构节点在常温下承载力和ISO-834标准火灾下的温度场有限元计算结果,采用ANSYS有限元软件对节点进行恒载升温热-结构耦合计算,分析节点在火灾下的耐火极限和应力分布规律。通过参数分析,涂装防火保护层对于提高节点抗火性能效果最为明显;降低梁端荷载比对于节点抗火性能有较为明显的效果;当柱端轴压比不高于0.6时,轴压比对节点抗火性能的影响较小;改变钢梁几何尺寸对节点抗火性能的影响较小。最后,在前人的研究基础上结合本文的研究成果对外隔板式方钢管混凝土柱与工字梁节点抗火设计提供方向性建议。


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