方形设肋薄壁钢管混凝土柱抗震和抗火性能研究

摘要

薄钢－混凝土组合结构是一种由薄壁板材、冷弯薄壁型钢(包括薄壁钢管)与混凝土组合而成的新型结构。混凝土的存在，提高了薄壁构件的局部屈曲承载力和抗火及防腐蚀性能；薄壁型钢的存在，可兼做梁、柱模板，还起到部分受力纵筋或约束箍筋的作用。由于该结构形式同时具备了薄钢结构和混凝土结构的优点，近年来在国内外受到了越来越多学者的关注。目前对薄壁钢管混凝土柱的研究主要集中在静力性能方面，对抗震性能和抗火性能的研究较少。针对这些问题，本文采用拟静力的方法对薄壁钢管混凝土柱的抗震性能开展了试验研究，同时采用有限元分析方法，对其滞回性能和在不同面受火情况下的抗火性能开展了研究。
　　进行了9根方形设肋薄壁钢管混凝土柱的滞回性能试验，其中6根在钢管四个内表面各设1条纵向加劲肋(四边设肋)，3根在钢管两个相对的内表面各设1条纵向加劲肋(对边设肋)，试验中的主要参数为轴压比和加劲肋的布置。通过试验研究了试件的破坏形态、滞回特性和耗能能力等重要抗震性能指标。结果表明：轴压比对试件的滞回性能影响很大，当轴压比小于0.5时，四边设肋试件的滞回曲线较饱满，具有较好的延性和耗能能力；而对边设肋试件的滞回曲线出现了轻微的捏缩现象；当轴压比大于0.5时，试件的延性较差。在相同轴压比下两种设肋形式试件的极限承载力较接近，但是四边设肋试件的延性好于对边设肋的试件，滞回曲线更丰满。
　　采用有限元程序ABAQUS6.5对9根薄壁钢管混凝土柱的滞回性能试验进行了全过程模拟，在大量试算的基础上确定了混凝土本构关系中的若干关键参数，有限元计算结果与试验结果总体上吻合较好。在试验研究基础上，对四边设肋薄壁钢管混凝土柱的滞回性能进行了大量的参数分析，考察了轴压比、混凝土强度、钢板强度、钢板厚度、长细比、肋宽度等因素的影响。共计算了384根试件，并对计算结果进行了统计分析，采用非线性回归方法得出了薄壁钢管混凝土柱的恢复力模型，模型的计算结果与试验和有限元结果总体上吻合较好，并基于恢复力模型的结果推导了构件延性系数的计算公式，可为结构的弹塑性动力分析提供参考。
　　采用ABAQUS提供的交替热－应力连续分析方法对不同受火条件下方形设肋薄壁钢管混凝土轴压柱的抗火性能进行了分析。研究了受火条件、轴力大小、钢板厚度对构件耐火极限的影响，同时给出了耐火极限时刻的温度场分布。计算结果表明，在分析参数范围内，轴心受压构件的耐火极限随着受火面的增加而降低，四面受火为最危险情况。在相同受火条件下轴力越大的试件耐火极限越低；相同轴压比下，随着钢管纵向加劲肋宽度的增加，构件的耐火极限有增大的趋势。
　　探讨了四面受火下薄壁钢管混凝土柱耐火极限的实用计算方法。在分析了截面尺寸、含钢率、长细比、混凝土强度、钢材强度和偏心率等因素对薄壁钢管混凝土柱的耐火极限的影响规律的基础上，找出了主要影响因素。为了便于计算，采用强度系数的概念，经过大量计算，分析了上述各因素及受火时间对强度系数的影响规律，并回归得出了该系数的计算公式，为实际应用提供了参考。对不同保护层厚度下薄壁钢管混凝土柱的耐火极限进行了大量计算分析，通过回归提出了保护层厚度的简化计算公式。

目录

方形设肋薄壁钢管混凝土柱抗震和抗火性能研究

RESEARCH ON ASEISMIC AND FIRE-RESISTANT BEHAVIORS OF CONCRETE-FILLED THIN-WALLED SQUARE STEEL TUBULAR COLUMNS WITH LONGITUDINAL RIBS

摘 要

Abstract

Contents

第 1 章 绪 论

1.1 薄钢-混凝土组合结构的概念与特点

1.2 相关课题的研究状况

1.2.1 薄壁钢管混凝土柱静力性能研究

1.2.2 薄壁钢管混凝土柱动力性能的研究

1.2.3 薄钢-混凝土组合结构抗火性能研究

1.3 薄钢组合结构需进一步研究的问题

1.3.1 理论研究

1.3.2 材料本构关系的研究

1.3.3 抗震性能的深入研究

1.3.4 体系的综合力学性能分析

1.3.5 抗火性能的试验研究

1.4 本课题的来源及主要研究内容

第 2 章 设肋薄壁钢管混凝土柱滞回性能试验研究

2.1 概述

2.2 试件的设计与制作

2.3 试验装置、测点布置和加载制度

2.4 试验结果与分析

2.4.1 试件破坏形态

2.4.2 荷载-位移滞回曲线和试验结果

2.4.3 骨架曲线及其影响因素分析

2.4.4 耗能能力分析

2.4.5 刚度退化曲线

2.4.6 轴向变形

2.5 本章小结

第 3 章 薄壁钢管混凝土柱滞回性能的有限元模拟

3.1 概述

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 混凝土本构模型

3.2.2 钢材模型

3.2.3 钢与混凝土之间相互作用

3.2.4 单元选取与有限元模型的建立

3.3 计算结果与试验结果对比

3.4本章小结

第 4 章 设肋薄壁钢管混凝土柱滞回性能有限元参数分析

4.1 概述

4.2 分析参数的确定

4.3 参数分析

4.3.1 P-Δ滞回曲线的特点

4.3.2 影响因素的分析

4.4 恢复力模型的回归分析

4.4.1 简化骨架曲线

4.4.2 滞回模型

4.4.3 位移延性系数的简化计算

4.5 本章小结

第 5 章 不同受火条件下薄壁钢管混凝土柱抗火性能研究

5.1 概述

5.2 高温下钢材与混凝土的热工性能

5.2.1 钢材的热工性能

5.2.2 混凝土的热工性能

5.3 高温下混凝土与钢材的应力-应变关系

5.3.1 高温下混凝土的应力-应变关系

5.3.2 高温下钢的应力应变关系

5.4 火灾下的升温曲线

5.5 薄壁钢管混凝土柱温度场的计算

5.5.1 导热微分方程

5.5.2 有限元模型的建立及基本假定

5.5.3 温度场计算结果的比较及分析

5.6 设肋薄壁钢管混凝土柱抗火性能分析

5.6.1 建筑结构构件耐火极限的定义

5.6.2 有限元程序的验证

5.6.3 不同受火条件下设肋薄壁钢管混凝土柱抗火性能的分析

5.7 本章小结

第 6 章 薄壁钢管混凝土柱耐火极限实用计算方法

6.1 概述

6.2 耐火极限影响因素分析

6.3 火灾下构件承载力的计算

6.3.1 火灾下构件强度系数的参数分析

6.3.2 强度系数的实用计算

6.4 保护层厚度的实用计算方法

6.4.1 有保护层钢管混凝土柱抗火性能有限元模拟

6.4.2 保护层厚度计算

6.5 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

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致 谢

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