型钢混凝土柱耐火性能研究与优化方法

摘要

近年来对SRC结构的研究越来越受到各国学者的关注，尤其是SRC结构在火灾中的表现，如何提高SRC结构在火灾中的耐火极限已经成为摆在研究人员面前的重要研究课题之一。但耐火试验不仅需要较高的硬件条件，同时又很难获得SRC构件在受火情况下的一系列的变化过程，因而本文采用ANSYS有限元分析软件对轴心受压的SRC柱进行火灾情况下的模拟分析，主要内容及成果总结如下:
　　1.应用ANSYS软件建立SRC柱的有限元分析模型，计算其在国际标准升温曲线下温度场的分布规律，获得了四面受火情况下SRC柱温度场的分布规律:在横截面方向上，随着时间的增加，型钢翼缘面混凝土温度总是高于腹板面混凝土温度;最大压应变出现在距柱端较近的翼缘位置处。
　　2.应用标准升温曲线下的SRC柱耐火试验数据对所做模型进行验证，包括温度场、变形曲线、耐火极限等方面。进而分析含钢率、偏心率、轴压比、截面尺寸及长细比等因素对耐火极限的影响。分析结果表明，在一定范围内，随着含钢率的增高、偏心率的减小、轴压比的减小、截面尺寸的增加、长细比的减小，SRC柱的耐火极限会有不同程度的提高。
　　3.以上分析均建立在不考虑SRC柱表混凝土爆裂的基础上，然而在实际生产生活中，由于火灾的发生，SRC柱表的混凝土很容易发生爆裂，而混凝土外包层一旦爆裂，SRC结构的耐火性能会比预期的差很多。本文提出了一种可以针对此问题的解决途径，即基于“破坏-安全”抗震理念的SRC柱防火设计优化方法。
　　数值模拟分析结果表明，SRC柱经过基于“破坏-安全”抗震理念的防火设计预处理后，抗弯刚度较原始构件绕强轴和弱轴均有一定程度上的增强，与此同时，由于对混凝土的爆裂位置进行了预判，因而可以对整个结构的薄弱部位和破坏形式加以控制，进而提高了结构的在火灾下的整体稳定性，可以为今后SRC结构抗火设计优化方法提供思路。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 型钢混凝土结构的特点和发展概况

1．1．1 型钢混凝土结构具有的特点

1．1．2 型钢混凝土结构的发展概况

1．2 型钢混凝土结构抗火研究意义

1．3 SRC结构抗火研究现状

1．4 本文主要内容

第2章 高温下混凝土和结构钢的材料特性

2．1 引言

2．2 结构钢和混凝土的热工性能

2．2．1 结构钢的热工性能

2．2．2 混凝土的热工性能

2．3 高温下结构钢和混凝土的力学性能

2．3．1 高温下结构钢的力学性能

2．3．2 高温下混凝土的力学性能

2．4 高温后结构钢和混凝土的力学性能

2．4．1 高温后结构钢的力学性能

2．4．2 高温后混凝土的力学性能

2．5 高温下混凝土与结构钢的粘结滑移

2．6 本章小结

第3章 火灾下SRC柱温度场分析

3．1 引言

3．2 温度—时间曲线

3．2．1 国际标准组织制定的ISO834标准升(降)温曲线

3．2．2 欧洲规范给出的室内火灾升温经验公式

3．3 SRC柱温度场计算原理

3．3．1 能量守恒定律

3．3．2 傅里叶定律

3．3．3 热传导方程

3．3．4 定解条件

3．4 SRC柱温度场有限元模型

3．4．1 ANSYS耦合场分析方法

3．4．2 热分析所用的单元类型

3．4．3 ANSYS热分析基本步骤

3．5 验证模型可行性

3．6 本章小结

第4章 型钢混凝土柱耐火极限影响因素分析

4．1 引言

4．2 有限元模型

4．2．1 钢筋的处理

4．2．2 模型所用的单元类型

4．2．3 材料模型

4．2．4 混凝土的破坏准则

4．3 型钢混凝土柱耐火极限影晌因素分析

4．3．1 含钢率α

4．3．2 荷载偏心率e／r

4．3．3 火灾荷载比n

4．3．4 截面高宽比β

4．3．5 长细比λ

4．3．6 配筋率ρ

4．3．7 升温时间t

4．3．8 型钢屈服强度fy、钢筋屈服强度fyh、混凝土强度fcu的影响

4．4 本章小结

第5章 型钢混凝土柱耐火性能优化方法

5．1 引言

5．2 混凝土爆裂机理

5．3 “破坏-安全”抗震理念

5．4 “破坏-安全”抗震理念在提高型钢混凝土耐火性能上的应用

5．5 数值模拟分析及结果

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果