高温（火灾）下T形截面钢管混凝土柱力学性能研究

摘要

近年来，我国经济发展进入新常态，面对去产能、降成本、环境保护以及人民对美好居住环境的迫切需求等问题，国家提出加大钢结构建筑的发展和应用，积极推进建筑结构的绿色化、工业化、信息化，切实促进传统的建筑工业转型升级。T形截面钢管混凝土柱作为一种新型钢-混组合结构，兼具良好的经济效益、环境效益以及社会效益，是目前广泛使用的传统钢筋混凝土柱的良好替代形式，并且已在广州新中国大厦、武汉国际证券大厦等建筑工程项目中得到较为广泛的应用。　　T形截面钢管混凝土柱是指通过在钢板焊接而成的T形截面钢管柱中浇筑混凝土而形成的钢-混组合构件，它结合了钢筋混凝土异形柱与钢管混凝土柱两种结构形式的优点，不仅能够大幅提升结构的承载能力，显著改善了结构的塑性、韧性、耐火性能以及施工的便利程度；而且又可以防止柱子在室内出现凸角，扩大了建筑使用面积，美化了建筑内部格局。当前，我国城市土地价格越来越贵、房价水平不断攀升，特别在大城市几乎是寸土寸金，这也促使购房者对住宅结构的室内布局越来越重视，对房屋空间利用率要求也越来越高，采用T形截面等异形截面钢管混凝土柱的结构设计方式将会成为未来重要的发展方向。与此同时，我国目前火灾发生频率居高不下，全国平均每天发生火灾600多起，给人民群众带来了极大的伤害和损失，全社会对建筑结构防火抗火能力的要求也日趋严格，建筑结构的抗火性能研究也显得越来越紧迫。因此，本文对高温火灾环境下的T形截面钢管混凝土柱抗火性能开展了以下几个方面的研究：　　（1）通过查阅相关文献资料，归纳总结出T形截面钢管混凝土柱的结构特征和加劲肋设置的主要方式，分析了各种加劲形式的主要做法和优缺点。　　（2）阐述了目前钢管混凝土结构设计的基本理论，主要包括统一理论、叠加理论、拟钢理论以及拟混凝土理论，并归纳总结了目前欧美日等主要国家相关规范中关于钢管混凝土柱承载力设计所采用的理论和方法；　　（3）归纳总结出高温火灾环境下T形截面钢管混凝土柱承载能力计算的主要方法，主要包括截面等效法、截面叠加法、截面分割法、以及连乘法；并在此基础上通过理论分析推导出高温火灾环境下T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算公式，以及配置纵筋的T形截面钢管混凝土柱在高温火灾下的轴压承载力计算公式。　　（4）通过算例对比分析了截面尺寸相同的T形截面钢管混凝土柱、加筋T形截面钢管混凝土柱以及钢筋混凝土T形柱三种结构在高温火灾环境下的轴压承载力情况，研究表明：T形截面钢管混凝土柱通过加筋可以显著提升柱的抗火承载能力；裸露的T形钢管混凝土柱和加筋T形钢管混凝土柱受温度影响较大，在火灾发生半个小时时承载力便迅速下降，而钢筋混凝土柱相对而言受温度的影响较小，因此对T形截面钢管混凝土柱应该采取抹水泥砂浆、涂防火涂料等防火措施；　　（5）利用ANSYS有限元软件建立了加筋和无筋T形截面钢管混凝土柱的有限元模型，在ISO-834标准升温曲线下通过热分析得出钢管混凝土柱的温度场，并与前人做的相关实验数据进行对比证实了温度场的准确性，然后通过热-力耦合分析，求解柱在不同荷载比下的轴压变形量，再根据相关破坏判定准则，将有限元计算结果与理论计算值进行对比分析，得出以下主要结论：配置纵筋对T形钢管混凝土柱的温度场影响较小；在火灾前90minT形截面钢管混凝土柱轴压承载力有限元模拟结果与理论公式计算结果相互吻合的较好，理论推导公式可供工程抗火设计借鉴参考，90min以后误差相对偏大，需要进一步试验验证；加筋T形截面钢管混凝土柱在火灾前45min时轴压承载力有限元模拟结果与理论公式计算结果相互吻合的较好，理论推导公式可供工程抗火设计借鉴参考，45min以后误差相对偏大，需要进一步试验验证。

目录

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摘 要

Abstract

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究主要内容与思路

1.3.1主要研究内容：

1.3.2主要研究路线

1.4 本章小结

第二章 T形截面钢管混凝土柱简介与计算理论

2.1 钢管混凝土异形柱简介

2.1.1 普通钢管混凝土柱

2.1.2 T形截面钢管混凝土柱

2.1.3 钢管混凝土异形柱结构特点

2.2 T形截面钢管混凝土柱的基本形式

2.3钢管混凝土柱计算理论

2.3.1 统一理论

2.3.2 叠加理论

2.3.3 拟钢理论

2.3.4拟混凝土理论

2.4传热学基本理论

2.4.1热分析的力学经典理论

2.4.2传热方式

2.5 本章小结

第三章 高温（火灾）下T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算

3.1 影响高温（火灾）下钢管混凝土柱的轴压承载力的主要参数

3.2.1 长细比λ

3.2.2 构件截面尺寸

3.2.3 受火时间t

3.2.4含钢率

3.2.5材料强度

3.2.6 保护层厚度

3.2 高温（火灾）下矩形截面钢管混凝土柱承载力计算

3.3 高温（火灾）下T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算方法

3.3.1 等效面积法

3.3.2 截面叠加法

3.3.3 截面分割法

3.4.4 连乘法

3.4 高温（火灾）下加筋T形钢管混凝土柱承载力计算方法

3.4.1 常温下加筋钢管混凝土异形柱轴压承载力计算方法

3.4.2 高温（火灾）下加筋T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算方法

3.5 高温（火灾）下T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算

3.5.1 计算模型

3.5.2 基本假定

3.5.3 理论计算

3.5.4 结果分析

3.6 本章小结

第四章 高温（火灾）下T形钢管混凝土柱有限元分析

4.1 ANSYS简介

4.2 热-力耦合分析理论

4.2.1直接热-力耦合法

4.2.2间接热-力耦合法

4.3材料相关参数的确定

4.3.1 钢材的材料参数

4.3.2 混凝土材料的参数

4.4 火灾模型及有限元模型的单元选择

4.4.1 火灾模型

4.4.2 单元选择

4.5 T形截面钢管混凝土柱力学性能有限元分析

4.5.1 基本假定

4.5.2模型的建立

4.5.3 网格的划分

4.5.4 热-力耦合分析

4.5.5 破坏判断准则

4.5.6 结果分析

4.6 加筋T形截面钢管混凝土柱的力学性能有限元分析

4.6.1 建立有限元模型

4.6.2 热力耦合分析

4.6.3 结果分析

4.7本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致 谢

作者简介及读研期间主要科研成果