考虑梁端约束CFST柱-RC梁节点耐火性能研究

针对火灾下钢管混凝土(CFST)柱-钢筋混凝土(RC)梁节点的力学性能,建立了火灾下节点温度场和力学场分析的有限元模型,并利用已有试验结果验证了有限元模型的有效性。研究了材料参数、几何参数、荷载参数及梁端约束刚度对CFST柱-RC梁节点耐火极限的影响,重点考察了梁端轴向和转动约束刚度对火灾下CFST柱-RC梁节点弯矩-转角关系、转动刚度和截面内力分布规律的影响。结果表明,CFST柱-RC梁节点在火灾下有两种破坏形态:柱破坏和梁板破坏,梁端约束对CFST柱-RC梁节点耐火极限的影响较小,但梁端轴向约束对火灾下CFST柱-RC梁节点弯矩—转角关系、转动刚度和截面内力分布规律的影响显著。     

震后钢筋混凝土柱耐火性能有限元分析∗

地震次生火灾(post?earthquake fire)是震后间接引发的一种具有严重危害性的次生灾害,不仅造成远大于普通火灾的损失,亦会导致原本结构性能的改变,从而威胁到人们的生命财产安全。为研究钢筋混凝土柱震损后的耐火性能,选取了合理的损伤指数,采用有限元分析软件 ABAQUS 建立震损钢筋混凝土柱耐火极限模型,并对有限元分析模型与参数进行了验证。在此基础上分析了损伤程度、荷载比等参数对震损柱耐火性能的影响。结果表明：随着损伤程度和荷载比的增加,震损钢筋混凝土柱的耐火极限减小,且二者对震损柱的耐火极限影响较大;当损伤指数为 0.672 时,与无损伤柱相比,耐火极限下降了 41%;当荷载比为 0.6 时,轻微破坏的受损柱(即损伤指数为 0.132)耐火极限相较荷载比为 0.15 时下降了 48%。     

相对两面受火下钢管混凝土叠合柱力学性能分析

为研究钢管混凝土叠合柱在偏心荷载和相对两面火灾共同作用下的耐火性能，文中基于ABAQUS有限元软件，采用热力顺序耦合的方法，分别建立了叠合柱温度场模型和力学分析模型，并用已有试验数据进行验证。利用数值模型对钢管混凝土叠合柱在相对两面火灾作用下的温度场变化、破坏形态和内力重分布等力学性能进行分析；基于参数分析结果，给出了钢管混凝土叠合柱在相对两面受火下耐火极限的简化计算公式。研究结果表明：叠合柱在相对两面受火下达到耐火极限时，叠合柱的破坏类型为整体弯曲破坏，温度场呈双轴对称分布；荷载比、长细比、核心面积比、含钢率、外围混凝土强度和截面尺寸是影响钢管混凝土叠合柱耐火极限的主要因素。     

轴心受压钢筋混凝土柱等效火灾荷载的计算

迄今为止，国内外有关计算构件耐火极限的方法，是钢筋混凝土构件与防火研究的主要内容。而在结构设计中，由于直接考虑的是荷载作用，为此提出了一个新概念——等效火灾荷载，将火灾对结构的影响直接考虑成荷载作用。在确定了混凝土柱的截面温度场后，利用一种简化计算方法计算出钢筋混凝土柱的等效火灾荷载，进而计算出钢筋混凝土柱的耐火极限。在火灾中，作为结构最基本的构件柱可能受到单面或多面的火作用，这里仅介绍轴心受压钢筋混凝土柱等效火灾荷载的计算。     

火灾中均布荷载作用下钢筋混凝土方板的极限分析

本文利用有限差分法确定了火灾时钢筋混凝土板的温度分布，并基于塑性铰线理论确定了火灾时钢筋混凝土方板的破坏机制，根据高温下混凝土和钢筋的力学性能对火灾过程中塑性铰截面的弯矩及板的极限荷载进行了分析，可为建筑结构的耐火设计提供依据。     

三面受火型钢混凝土柱耐火极限试验研究

在实际火灾中,结构中的柱子有可能处于三面受火的状态。由于受火边界的差异,其耐火性能与四面受火的情况有所不同。为认识三面受火型钢混凝土(SRC)柱的耐火性能,进行了两根ISO-834标准火灾作用下三面受火(受拉侧不受火)SRC柱在偏心荷载作用下的耐火极限试验,观察了试件的破坏过程,取得了截面温度场分布、变形-时间关系曲线等数据,并分析了有关规律及机理。试验结果表明:达到耐火极限状态时,型钢的温度较低;混凝土爆裂对截面温度场及构件耐火极限均有影响;荷载比和偏心率是影响高温下SRC偏压构件变形特征及耐火极限的重要因素。试验结果可供三面受火SRC柱耐火设计参考。     

三面受火的方钢管混凝土柱耐火极限

编制了预测方钢管混凝土柱三面火灾作用下高温反应的数值分析程序,并将之用于不同荷载比、截面边长、长细比、荷载偏心率、钢材和混凝土强度及含钢率共480种工况下方钢管混凝土柱耐火极限参数分析,得到了三面火灾作用下方钢管混凝土柱耐火极限的主要影响参数及其影响规律。基于参数分析结果,定量给出了该受火条件下方钢管混凝土柱耐火极限的简化计算方法。研究结果表明:荷载比、截面边长、长细比是三面火灾作用下方钢管混凝土柱耐火极限的主要影响参数,表现为截面边长越大,荷载比和长细比越小,构件的耐火极限越大。由于存在极强偏心,当荷载作用点偏于背火面时荷载偏心率亦有较大影响。     

火灾后混合配筋混凝土梁抗弯试验研究

根据6根试验梁的耐火极限时间和火灾后试验梁的变化情况,选取未破坏的1根钢筋混凝土梁及2根混合配筋混凝土梁进行火灾后的静力加载试验,研究了火灾后钢筋混凝土梁和混合配筋混凝土梁的抗弯能力,讨论了钢筋-GFRP筋配筋比和荷载对混合配筋混凝土梁性能的影响,试验结果表明:1)火灾后混合配筋混凝土梁中GFRP筋的强度损失殆尽,钢筋的力学性能可以有一定程度的恢复,火灾后钢筋混凝土梁的力学性能恢复情况要优于混合配筋混凝土梁。2)纵筋中钢筋与GFRP筋的配筋比是影响混合配筋混凝土梁剩余承载能力的主要因素,钢筋与GFRP筋的配筋比越大,火灾后混合配筋混凝土梁的力学性能恢复越好。基于试验现象和理论分析,建议了火灾后混合配筋混凝土梁剩余抗弯能力计算方法,计算结果与试验结果吻合较好,可以用于工程计算。     

薄壁钢-轻质混凝土组合楼板的受火后力学性能及评估模型研究

对5块内置钢骨架的轻集料混凝土组合楼板在火灾后的受力性能进行了试验研究,并基于试验结果给出了火灾后组合楼板综合承载力的评估模型。结果表明,该组合楼板在火灾作用后仍具有较高的剩余承载力和整体刚度,其主要影响参数包括轻骨料混凝土预制板中的配筋数量、受火时的荷载分布方式与荷载值以及火灾升温后所采用的冷却方式。受火时组合楼板试件中钢骨架主、次构件正上方的混凝土表面首先出现裂缝,且火灾后加载时进一步发展。火灾下均匀堆载的组合楼板试件的名义刚度较局部堆载的试件刚度提高18.5%;采用人工喷淋冷却方式较之自然冷却,其火灾后组合楼板试件静载试验的残余位移增大23.9%;所建立的综合指标模型可用于评估火灾后组合楼板试件的综合承载力。     

不同材料加固钢筋混凝土短柱的抗震性能试验研究

提出了一种预应力钢带加固钢筋混凝土柱的新技术。进行了2个预应力钢带加固和1个CFRP加固的钢筋混凝土短柱的低周反复加载试验,通过与1个未加固的普通钢筋混凝土短柱的对比研究,比较分析了预应力钢带加固和CFRP加固短柱的破坏形态、滞回曲线、位移延性系数、骨架曲线、耗能性能以及刚度退化。研究结果表明,与未加固短柱相比,预应力钢带加固和CFRP加固的钢筋混凝土短柱极限荷载最大提高幅度分别为30.73%和31.04%,位移延性最大提高幅度分别为32.3%和52%。同等工况下,预应力钢带加固和CFRP加固短柱的抗震性能相近,可防止混凝土压碎剥落和纵筋屈曲,有效抑制混凝土裂缝扩展和减缓试件刚度退化,但预应力钢带加固钢筋混凝土短柱具有显著的经济优势和施工操作优势。     

锈蚀钢筋混凝土圆柱抗震性能的试验研究

对不同锈蚀程度的钢筋混凝土圆柱进行低周反复试验,研究了不同轴压比下的钢筋锈蚀率对钢筋混凝土圆柱滞回曲线、骨架曲线、刚度、延性及耗能能力的影响;给出了试件累积耗能、屈服荷栽、极限荷栽、荷栽最大值和位移延性系数与钢筋锈蚀率和轴压比的关系.研究表明,随着钢筋锈蚀率和轴压比的增大,试件的滞回曲线趋于干瘪,骨架曲线下降段变陡,试...     

钢管石轻混凝土短柱轴压力学性能试验研究

为研究钢管石轻混凝土短柱的轴压力学性能,以天然碎石体积取代率为变化参数,分别设计并制作了5个圆、方钢管石轻混凝土短柱试件,对其进行了轴压静力加载试验,观察了试件受力的全过程和破坏形态,获取了试件的荷载—位移全过程曲线,分析了碎石取代率对试件受力性能的影响规律。结果表明:在轴心受压荷载作用下,钢管石轻混凝土短柱发生了强度破坏;钢管石轻混凝土轴压短柱的实测荷载—位移全曲线变化趋势基本相同,其工作过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段三部分;随着天然碎石取代率的增加,钢管石轻混凝土轴压短柱的极限承载力、峰值位移总体上均逐渐增加。     

约束钢筋混凝土十字形柱的高温轴力分析

利用结构抗火分析软件SAFIR,研究了高温下约束十字形柱的轴力变化过程,考察了众多参数对该过程的影响规律,初步建立了其实用计算方法。研究结果表明:1荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载偏心率、截面尺寸对该变化过程影响较大,而柱长度、材料强度、混凝土保护层厚度、配筋率则对该过程影响较小。2随着轴向约束刚度比增加,轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值均逐渐增大,且后者的增大效应相比前者更为显著。3有无转动约束存在对轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值影响有限,非零转动约束刚度比的大小对轴力变化系数随升温时间的变化过程影响很小。4随着荷载比增加,轴力变化系数峰值迅速减小,这一趋势对于偏压柱更为显著;随着荷载偏心率增加,轴力变化系数迅速增大。由于火灾中相邻构件之间相互约束作用的客观存在,正确把握高温下约束构件的内力变化过程对科学解释其真实火灾行为是必要的。     

具有端部约束的碳纤维布加固混凝土梁的高温弯矩分析

目前国内外对混凝土结构的抗火性能评估几乎都是针对独立构件开展的,很少考虑相邻构件之间的相互约束作用。实际火灾调查与明火试验表明,结构中构件的火灾行为与独立构件有着较明显的差别。本文开展了具有端部约束的碳纤维布加固混凝土梁的高温反应分析,揭示了轴向/转动约束刚度比、梁截面尺寸、跨度、荷载比、加固量、配筋率、保护层厚度和防火涂料厚度等参数对ISO834标准升温作用下约束加固梁的梁端弯矩的影响规律。在此基础上,给出了高温下约束加固梁的梁端弯矩实用计算方法。研究表明:①随着升温时间的增加,约束加固梁的梁端弯矩总体呈现先逐渐增大而后渐趋平缓的趋势;②防火保护(即使防火涂料厚度只有10mm)对高温下约束加固梁的梁端弯矩影响显著。     

约束高强度Q460钢柱抗火性能分析

为了研究高强度约束钢柱在火灾下的反应,根据高强度结构钢Q460在高温下的力学性能参数,建立了约束高强度钢柱受火分析模型,得到了高强度约束钢柱在火灾下的轴向位移、跨中挠度、最大应力以及临界温度。采用有限元分析对理论结果进行了验证,两者吻合很好。利用验证过的该文计算方法计算了2种荷栽比、长细比和约束刚度比条件下的高强钢柱的抗火性能;采用CECS200:2006的力学性能参数计算了约束普通钢柱的抗火性能。通过对高强钢和普通钢的抗火性能分析发现,轴向约束明显降低钢柱的临界温度,长细比、荷载比越大,临界温度越低;高强钢的抗火性能要优于普通钢。     

预制空心板受火后力学性能的试验研究

为比较不同受火时间后预制空心板剩余承载力、跨中挠度和破坏形态的异同,进行了6块预制空心板受火后力学性能的对比试验研究,其中3块为未受火的对比试件,另3块为板底分别受火23、38、53min的试件。受火试验结果表明,各试件在升温过程中的跨中挠度随受火时间增加而显著增加,熄火自然冷却后,跨中挠度大部分可恢复。加载试验结果表明,对比试件和受火试件的最终破坏模式均为弯曲破坏;随着受火时间延长,试件开裂荷载和破坏荷载均有所降低,且破坏荷载与受火时间大致呈线性关系;受火试件初始弯曲刚度较对比试件明显降低,相同荷载作用下,受火试件受拉边缘拉应变和受压边缘压应变,均明显大于对比试件。     

钢框架厂房火灾后的破坏形态

端部约束不同的构件在火灾中的破坏形态不同,研究整体结构构件在火灾中的破坏形态,可以为钢结构抗火研究与设计提供依据。某钢结构框架厂房发生火灾,大火历时3个多小时,火场最高温度达1000°C以上。火灾后,框架梁均有不同程度的破坏,钢梁端部下翼缘屈曲破坏较普遍;由于钢梁顶没有设置抗剪键,钢梁与顶部的混凝土现浇楼板脱开,火灾后残留有较大的挠屈变形;钢柱在火灾后未有明显的破坏现象,但有侧向变形产生。这些现象与实验室中标准试验的结果不同。     

多高层钢结构耐火性能的子结构分析模型与分析方法

基于整体钢结构在局部火灾下的反应规律,将高层钢结构的初始倒塌破坏类型进行了分类(中间柱初始倒塌、边柱初始倒塌以及梁柱同时倒塌),根据整体结构约束影响和荷载影响,提出局部火灾下多高层钢结构耐火性能分析的相应子结构分析模型及其分析方法。子结构模型的边界充分考虑周围约束的影响,尤其是周围梁和上层柱构件以及层数的影响。针对不同类型的子结构模型,通过建立相应的具体子结构有限元模型,合理考虑边界条件的影响。最后基于建立的数值模型,研究了子结构的火灾反应规律与破坏机理,并与整体结构的分析结果进行了比较,结果表明:子结构分析模型与分析方法可以合理准确地分析整体结构的耐火性能。     

竖向不规则钢-混凝土混合框架静力非线性分析

根据高阶振型对结构位移的贡献,提出基于多振型侧向力分布形式用于竖向不规则结构的静力非线性分析。通过静力非线性分析和动力时程分析结果的对比,验证了侧向力分布形式的准确性。为研究不规则程度对混合结构非线性行为和破坏模式的影响,改变混凝土框架的刚度和强度形成6个竖向不规则混合结构。通过对不规则混合结构层间能力系数的计算,初步判断混合结构刚度和强度的竖向不规则分布特征,评估可能存在的薄弱层和结构破坏模式。采用所提出的侧向力分布形式分别对结构模型进行静力非线性分析,得到混合结构模型的塑性铰开展特征和层间位移角分布,结果表明:混合结构刚度和强度的不规则程度直接影响结构非线性行为和破坏模式,较均匀的层间能力系数分布能够避免结构中出现明显的薄弱层,使结构破坏模式更加合理。     

FRP加固震损RC柱建模方法及骨架模型研究

为研究震损RC柱采用FRP(Fiber Reinforced Polymer,FRP)加固修复后的抗震性能,本文基于OpenSees仿真平台,根据震后RC柱的表观损伤状态提出FRP加固震损RC柱的有限元模型建立方法。对FRP加固震损RC柱进行5120种工况的Pushover分析,采用三折线荷载-位移骨架曲线,研究损伤状态对骨架曲线特征点参数的影响规律,并通过数据回归分析提出FRP加固震损RC柱的骨架曲线计算模型。分析结果表明:损伤会降低FRP加固RC柱的承载力及刚度,且降低程度随损伤指数的增大而增加,两者近似成抛物线关系;在DS-5损伤状态下,相比于FRP加固完好RC柱,FRP加固震损RC柱的屈服承载力P y、峰值承载力P c、弹性刚度K 1、弹塑性刚度K 2及下降段刚度K 3的均值下降17.9%、14.5%、41.8%、43.1%和19.9%;损伤对FRP加固RC柱弹性刚度和弹塑性刚度的降低程度明显高于屈服承载力和峰值承载力;文中提出的FRP加固震损RC柱骨架曲线计算模型具有较高精度。