火灾下与火灾后圆钢管约束钢筋混凝土柱力学性能研究

摘要

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载能力高、抗震性能好、与钢筋混凝土梁连接节点构造简单等优势，近年来在高层建筑与大跨结构中得到应用。但目前尚无关于火灾下或火灾后钢管约束钢筋混凝土柱力学性能的研究，也无相关的设计规范或规程可参考。为准确预测钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限，并合理评估火灾后钢管约束钢筋混凝土结构的损伤程度，开展了火灾下钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能以及火灾后钢管约束钢筋混凝土柱剩余力学性能研究，主要研究工作与成果包括：
　　（1）进行了4个ISO834标准火灾作用下钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验，以及1个钢管混凝土柱对比试验，考察了荷载比和构件模式对火灾下钢管约束钢筋混凝土柱的变形和耐火极限的影响。通过试验获得了火灾作用下构件截面关键测点温度、轴向变形-时间关系曲线、耐火极限以及破坏模式。试验结果表明，荷载比对钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限影响显著，随荷载比增加，耐火极限显著降低；与钢管混凝土柱相比，钢管约束钢筋混凝土柱具有更好的抗火性能。
　　（2）基于ABAQUS有限元软件，采用顺序热力耦合的方式，建立了标准火灾作用下钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元模型；分析了升温时间、截面尺寸和含钢率对钢管约束钢筋混凝土柱温度场的影响规律，以及荷载比、截面尺寸、长细比、材料强度、含钢率和配筋率等因素对耐火极限的影响规律。分析表明，钢管的温度主要取决于升温时间，而混凝土的温度则与升温时间和截面尺寸均相关，在此基础上，确定了钢管约束钢筋混凝土柱中钢管、钢筋以及混凝土温度的简化计算公式；在构件常温承载力计算公式的基础上，引入高温对材料力学性能的影响，提出了标准火灾作用下钢管约束钢筋混凝土柱承载力的简化计算公式，可用于钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限的预测。
　　（3）进行了26个ISO834标准火灾作用后钢管约束钢筋混凝土柱剩余力学性能试验，考察了升温时间、长细比、偏心距、混凝土强度、截面尺寸等因素对火灾后钢管约束钢筋混凝土柱力学性能的影响规律。通过试验实测了ISO834标准升、降温过程中钢管约束钢筋混凝土截面关键测点温度、火灾后构件的荷载-位移关系曲线、荷载-钢管应变关系曲线以及剩余承载力，并获得了构件的破坏模式。试验结果表明，混凝土温度存在明显的滞后效应，构件的承载力随着截面尺寸与混凝土强度的增加逐渐增加，而随着受火时间、长细比和偏心距的增加不断降低，火灾后构件均发生整体失稳破坏，并具有较好的延性与变形能力。
　　（4）基于ABAQUS有限元软件建立了ISO834标准火灾作用后钢管约束钢筋混凝土柱力学性能分析模型，并验证了模型的可靠性；分析了升温时间、截面尺寸、长细比、偏心率、材料强度、含钢率、配筋率等因素对火灾后钢管约束钢筋混凝土柱剩余承载力与刚度的影响规律，发现火灾后构件刚度比承载力的降低幅度更大；提出了ISO834标准火灾作用后钢管约束钢筋混凝土柱强度承载力、稳定承载力、压弯承载力以及轴压刚度的简化计算公式，可为火灾作用后钢管约束钢筋混凝土柱的损伤评估提供参考。

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主要符号对照表

第1章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2相关课题研究现状

1.3本文的主要研究方法及内容

第2章 火灾下钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验

2.1引言

2.2试验概况

2.3火灾下试验结果及分析

2.4本章小结

第3章 火灾下钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能分析

3.1引言

3.2火灾下温度场的有限元模型

3.3耐火极限的有限元模型

3.4参数分析

3.5耐火极限的简化计算方法

3.6本章小结

第4章 火灾后钢管约束钢筋混凝土柱剩余力学性能试验

4.1引言

4.2试验概况

4.3火灾后试验结果及分析

4.4本章小结

第5章 火灾后钢管约束钢筋混凝土柱剩余力学性能分析

5.1引言

5.2火灾后温度场有限元模型的建立与验证

5.3剩余力学性能有限元分析模型

5.4参数分析与简化计算方法

5.5本章小结

结论

本文的创新点：

未来工作展望：

参考文献

附录1火灾作用下圆钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限计算公式汇总

附录2火灾作用后圆钢管约束钢筋混凝土柱承载力计算公式汇总

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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