配筋钢管混凝土柱抗火性能的试验研究

摘要

目前钢管混凝土结构已经在工程中得到了广泛的应用。针对钢管混凝土柱的研究分为常温受力性能和高温抗火性能的研究，但是当前针对钢管混凝土柱抗火性能的研究比较匮乏，所以加强这方面的研究对于促进钢管混凝土结构的应用及我国防灾减灾事业的发展具有十分重要的意义。本文主要研究在钢管混凝土柱内部加配受力钢筋构成的配筋钢管混凝土柱的抗火性能，对配筋钢管混凝土柱常温下的受力性能和高温下的抗火性能进行了理论分析和试验研究。主要研究内容如下： 1．对3个配筋钢管混凝土短柱和1个钢管素混凝土短柱进行了常温下的轴心受压试验研究，分析了配筋钢管混凝土短柱的受力机理、变形能力和破坏形态，提出了配筋钢管混凝土短柱轴心受压承载力的计算公式。公式的计算结果与试验结果符合得较好。 2．基于上述试验结果对配筋钢管混凝土短柱中钢管的变形过程进行了分析，提出了钢管横向变形的近似计算方法，同时基于约束混凝土的应力-应变关系，编制了数值计算程序对配筋钢管混凝土轴压短柱常温下的受力全过程进行了数值模拟，与试验结果的对比表明程序对配筋钢管混凝土轴心受压短柱承载力和变形的模拟结果均较为理想。 3．对3个配筋钢管混凝土柱和1个钢管素混凝土柱在恒定轴压荷载、两端简支条件下进行了火灾行为的试验研究，研究了配筋钢管混凝土柱的火灾反应、变形和破坏过程，测量了钢管混凝土柱的截面温度场，并分析了钢管和配筋对钢管混凝土柱抗火性能的影响。 4．分析了水分和接触热阻对钢管混凝土柱截面温度场的影响，然后基于能量守恒原理和热力学理论推导了有限差分形式的截面温度场计算的基本方程，并编写了数值计算程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场。 5．分析了影响钢管混凝土柱截面温度场的主要因素，并在数值计算结果的基础上给出了钢管混凝土柱截面温度场的简化计算方法，与数值计算结果和部分试验结果的对比表明简化计算方法具有良好的精度。 6．在掌握了混凝土和结构钢的高温力学性能以及混凝土的瞬态热应变对变形影响的基础上，编制了计算配筋钢管混凝土柱耐火极限和受力变形过程的可视化程序，可以计算各种混凝土类型和荷载工况下钢管混凝土柱的耐火极限和变形过程，通过与部分轴向变形试验结果和大量耐火极限试验结果的对比，表明所编制的程序能够较好地模拟配筋钢管混凝土柱的耐火极限和变形过程。 7．分析了影响钢管混凝土柱抗火性能的主要影响因素，并在大量数值计算结果的基础上给出了配筋钢管混凝土柱高温承载力的简化计算方法，可以用于钢管混凝土柱抗火设计中耐火极限的计算，可作为工程设计的参考依据。 8．在配筋钢管混凝土柱抗火性能分析及高温承载能力简化计算的基础上给出了配筋钢管混凝土柱常温设计和高温抗火验算相结合的设计方法，并给出了部分设计建议。 本文的主要创新点如下： 1．基于试验结果，给出了配筋钢管混凝土轴心受压短柱的钢管与核心混凝土相互作用和共同工作的分析模型，并编制了计算程序来模拟配筋钢管混凝土轴心受压短柱的受力变形全过程。 2．给出了水分和接触热阻对钢管混凝土柱截面温度场影响的分析方法，编制了精度良好的钢管混凝土柱截面温度场的数值计算程序。 3．给出了高温下混凝土瞬态热应变的简化计算方法，并据此编制了通用性良好的可视化程序来计算火灾下配筋钢管混凝土柱的耐火极限和变形过程。4．提出了配筋钢管混凝土柱常温设计和高温抗火验算相结合的设计思想，并给出了相应的统一设计方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

1.1.1钢管混凝土柱的防火措施

1.1.2防火涂料防火保护存在的问题

1.1.3主动抗火措施的应用

1.1.4研究配筋钢管混凝土柱抗火性能的目的和意义

1.2国内外的研究现状

1.2.1国内的研究现状及存在的问题

1.2.2国外的研究现状及存在的问题

1.3本文研究的主要内容

参考文献

第2章常温下配筋钢管砼短柱轴心受压性能的试验研究

2.1试验简介

2.1.1试件设计

2.1.2试验装置及试验方法

2.2主要的试验结果

2.2.1主要的试验现象

2.2.2变形曲线

2.2.3破坏形态

2.3试验结果分析

2.3.1受力变形过程的分析

2.3.2配筋的作用

2.3.3承载力计算公式的比较

2.3.4本章试验结果的意义

2.4受力全过程的数值模拟

2.4.1基本假定

2.4.2材料的简化本构模型

2.4.3钢管的变形分析和简化处理

2.4.4数值计算

2.5本章小结

参考文献

第3章配筋钢管混凝土柱火灾行为的试验研究

3.1试验简介

3.1.1试件设计

3.1.2试验装置及试验方法

3.2主要的试验结果

3.2.1试验升温

3.2.2主要的试验现象

3.2.3截面升温

3.2.4轴向变形曲线

3.2.5耐火极限与破坏形态

3.3试验结果分析

3.3.1钢管对耐火极限的影响

3.3.2配筋对耐火极限的影响

3.4本章小结

参考文献

第4章火灾下钢管混凝土柱截面温度场分析

4.1室内火灾与标准升温曲线

4.2混凝土与结构钢的热工性能

4.2.1混凝土的热工性能参数

4.2.2结构钢的热工性能参数

4.3钢管混凝土柱的受热模型

4.3.1对流换热

4.3.2辐射换热

4.3.3发射率的取值

4.4截面温度场的数值计算

4.4.1截面内的导热模型

4.4.2截面温度场计算中的主要问题

4.4.3数值计算程序

4.4.4计算结果与试验结果的对比

4.5截面温度场的简化计算

4.5.1截面温度场的影响因素

4.5.2截面温度场的简化计算方法

4.6本章小结

参考文献

第5章配筋钢管混凝土柱抗火性能计算

5.1钢管混凝土柱抗火计算理论

5.1.1变形分析

5.1.2控制截面内力分析

5.1.3计算流程图

5.2混凝土与结构钢的高温力学性能

5.2.1混凝土在高温下的力学性能

5.2.2结构钢在高温下的力学性能

5.3钢管混凝土柱抗火计算程序

5.3.1程序简介

5.3.2程序计算结果对比

5.4钢管混凝土柱抗火性能简化分析

5.4.1火灾下的变形分析

5.4.2钢管混凝土柱抗火性能的影响因素

5.4.3配筋钢管混凝土柱的高温承载力计算

5.5本章小结

参考文献

第6章配筋钢管混凝土柱常温与抗火统一设计方法

6.1常温承载力计算

6.1.1轴心受压承载力计算

6.1.2小偏压承载力计算

6.2高温承载力计算

6.2.1轴心受压承载力计算

6.2.2小偏压承载力计算

6.2.3火灾下框架柱的有效高度

6.3常温与抗火统一设计方法

6.3.1已有常温设计结果时的统一设计方法

6.3.2缺少常温设计结果时的统一设计方法

6.3.3设计建议

6.4计算实例

6.4.1配筋钢管混凝土柱计算实例

6.4.2钢管素混凝土柱计算实例

参考文献

第7章总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

攻读博士学位期间发表的论文及获奖情况

致谢