基于升降温全过程分析的SRC柱耐火性能指标研究

摘要

型钢混凝土柱（以下简称SRC柱）具有承载力高，刚度大，抗震、抗火、耐腐蚀性能好和技术经济效益好等优点，在多层、高层、超高层建筑以及工业厂房中得到广泛的应用。对SRC柱在高温下的性能研究多集中在标准升温条件下的耐火极限和火灾后剩余承载力的研究。但在实际火灾作用下，SRC柱会经历升温和降温两个阶段，由于混凝土的热惰性，截面升温存在滞后性，在降温阶段，外部混凝土开始降温，但内部型钢和部分混凝土仍处于升温状态，柱承载力继续下降，故存在降温段发生延迟破坏的可能性。为了解SRC柱在降温段破坏的可能性，更准确地评估SRC柱在实际火灾下的耐火能力，本文基于SRC柱的抗火全过程分析，对其抗火性能指标DHP进行研究。主要工作如下:
　　(1)利用有限元软件ABAQUS建立了SRC柱三维温度场计算模型和全过程力学计算模型，并利用已有试验数据对其有效性与合理性进行了验证。
　　(2)定义场变量，编制可以自动识别和转换材料本构关系的子程序USDFLD，实现了对SRC柱升、降温全过程的耐火性能计算。
　　(3)验证了SRC柱在降温段发生破坏的可能。通过探究SRC柱在全过程火灾作用下承载力的变化，对比耐火极限，定义了衡量SRC柱在全过程火灾作用下的耐火性能指标DHP，即可使SRC柱在降温段发生破坏的最小升温时间(Duration of the HeatingPhase)。
　　(4)对影响SRC柱耐火极限及全过程火灾作用下的耐火性能指标(DHP)的主要参数进行计算分析，包括火灾荷载比、SRC柱截面尺寸、长细比、偏心率、型钢截面尺寸、混凝土强度。对比分析可知，荷载比、柱截面尺寸、长细比对SRC柱在升降温全程火灾作用下的耐火性能影响较大。
　　(5)在以上模型计算的基础上，通过回归分析建立了SRC柱耐火极限R和全过程火灾下耐火性能指标DHP的简化计算公式，并建立了DHP关于R的函数关系式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 型钢混凝土的发展概况

1．2．2 型钢混凝土抗火性能研究现状

1．2．3 分析并拟合实际火灾环境

1．2．4 高温下钢材和混凝土材性研究概况

1．2．5 SRC柱耐火性能研究概况

1．3 主要研究内容

第二章 升降温火灾作用下钢材和混凝土的材料属性

2．1 前言

2．2 升温段钢材和混凝土的热工性能

2．2．1 钢材的热工性能

2．2．2 混凝土的热工性能

2．3 升温段钢材和混凝土的热力学性能

2．3．1 高温下钢材的热力学性能

2．3．2 高温下混凝土的热力学性能

2．4 降温段钢材和混凝土的材料属性

2．4．1 降温段混凝土的力学计算

2．4．2 降温段钢材的力学计算

2．5 本章小节

第三章 全过程火灾作用下SRC柱温度场计算

3．1 前言

3．2 火灾温度变化曲线

3．2．1 火灾升温模型

3．2．2 全过程火灾作用下温度场计算原理

3．3 SRC柱温度场计算模型及验证

3．3．1 温度场有限元模型的建立

3．3．2 标准升温火灾温度场验证

3．3．3 升降温全程火灾温度场验证

3．4 本章小结

第四章 全过程火灾作用下SRC柱的抗火性能指标

4．1 前言

4．2 SRC热-力耦合计算验证

4．2．1 SRC柱破坏的判断准则

4．2．2 模型建立

4．2．2 热-力耦合验证分析

4．3 全过程火灾作用下SRC柱耐火性能指标

4．3．1 全过程火灾作用下的耐火性能指标分析

4．3．2 DHP推导和定义

4．4 SRC柱发生延迟破坏算例分析

4．4．1 SRC柱截面温度变化及过火最高温度

4．4．2 全过程火灾下SRC柱轴向位移变化及破坏形式

4．5 本章小结

第五章 抗火性能指标参数分析及简化计算

5．1 前言

5．2 参数取值

5．3 参数对DHP的影响分析

5．3．1 火灾荷载比μ

5．3．2 截面边长b

5．3．3 长细比λ

5．3．4 荷载偏心率ε

5．3．5 含钢率ρ

5．3．6 混凝土强度

5．6 DHP与耐火极限R的简化计算公式

5．6．1 SRC柱耐火极限R的简化计算公式

5．6．2 拟合DHP的计算公式

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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