钢筋混凝土柱抗火性能的研究现状与展望

本文对钢筋混凝土柱的抗火性能研究成果进行了综述。首先,分析了钢筋混凝土柱耐火极限和高温作用时和作用后的受力性能。其次,根据大量试验研究结果确定了钢筋混凝土柱抗火性能的影响因素包括:(1)温度和受火时间;(2)受火方式;(3)截面尺寸;(4)混凝土强度、骨料种类;(5)轴压比和荷载偏心距;(6)纵向配筋;(7)混凝土保护层厚度、箍筋、长细比、柱端约束条件等。其后,介绍了钢筋混凝土柱抗火性能的一些理论计算方法,评估这些计算方法的准确度及可行性。最后,对欧洲、美国、澳大利亚和中国抗火设计规范中钢筋混凝土柱的耐火极限计算方法进行评估,并对该领域的发展提出了建议和展望。     

震损钢筋混凝土框架柱加固修复试验研究

以地震损伤钢筋混凝土框架柱为研究对象,重点研究了损伤、加固后的钢筋混凝土框架柱的抗弯、抗震性能及加固措施。设计并制作了6根钢筋混凝土柱试件。第一步,对原试件进行损伤试验;第二步,对损伤柱试件进行碳纤维加固和钢板加固,试验分析加固试件的抗震性能。考虑了不同轴压比与加固方式等参数的影响,对比研究不同轴压比作用下,采用不同加固方式柱试件的滞回曲线、骨架曲线、耗能、延性及破坏形态等抗震性能,并对不同加固方案的效果进行分析比较,揭示了不同变化参数对加固后柱的抗震性能等指标的影响规律与程度,为我国建筑抗震设计规范和混凝土结构加固规范的修订提供试验和理论参考。     

不同规范组合梁抗火设计方法的比较和分析北大核心CSCD

首先介绍了中国规范、欧洲规范和英国规范中的组合梁抗火设计方法,并通过算例对比了根据各国规范预测的临界温度和耐火极限。对比发现:对于常温下按完全剪力连接设计的组合梁,各国规范计算出的临界温度相差不是很大,其中欧洲规范的计算值最高,而英国规范的计算值最低。对于常温下按部分剪力连接设计的组合梁,以中国规范中承载力法得到的临界温度可能不安全,建议增加对高温下剪力连接件抗剪承载力的验算;而以中国规范中临界温度法得到的临界温度过于保守,建议将中国规范中临界温度法推荐的表格适用范围局限于常温下按完全剪力连接设计的组合梁。     

钢筋混凝土框架的多尺度抗火混合模拟∗

针对整体结构火灾试验费用高昂、传统构件试验无法反映整体结构性能、全实体单元模型抗火计算效率不高等问题,基于 ABAQUS 软件,建立钢筋混凝土传统单柱、全实体单元平面框架、多尺度平面框架、多尺度空间框架、 混合模拟平面框架 5 种模型,进行了基于底层中柱受火工况下整体结构的抗火性能对比分析,研究了不同建模方式的计算效率、约束对耐火极限的影响、混合模拟与常规数值模拟的差异,结论证实：缺少约束条件下的传统单柱的耐火极限相对整体结构偏低;多尺度模型相对全实体建模其计算效率提高 80% 左右;多尺度空间模型相对多尺度平面模型约束效应更强,在保持相同承载力的情况下变形相对更小;混合模拟模型与多尺度平面模型相比其力学性能具有较强相似性,证实采用多尺度混合模拟能够较好地反映整体结构的抗火性能,同时兼顾了计算效率和计算精度的统一。     

钢管约束型钢混凝土框架短柱的抗震性能与设计方法

进行了8个钢管约束型钢混凝土框架短柱的抗震性能试验研究,包括3个圆形钢管约束型钢混凝土柱、3个方形钢管约束型钢混凝土柱和2个普通型钢混凝土对比试件的试验研究。试验中的主要参数为轴压比。试验结果表明,相同用钢量条件下,钢管约束型钢混凝土超短柱的抗剪承载力、延性、层间变形能力和耗能性能明显优于型钢混凝土柱。钢管约束型钢混凝土柱和型钢混凝土对比试件都发生了明显的粘结破坏;因此在设计中应在型钢的翼缘外侧设置抗剪连接件。对钢管的弹塑性应力分析结果表明,水平荷载施加过程中,发生弯曲破坏试件的钢管不屈服,而发生剪切破坏试件的钢管在下降段屈服。根据试验结果和钢管应力分析结果建立了钢管约束型钢混凝土柱的抗剪承载力公式,提出了设计建议,可为工程实践提供参考。     

单层带支撑异形柱框架的高温性能研究

针对单层异形柱框架,通过高温数值分析,考察了支撑设置和受火位置对结构高温变形及内力的影响。研究结果表明:对于单层多跨异形柱框架,当只有一端有支撑跨时,会在一定程度上增大另一端的边节点水平位移和边柱侧向变形,对结构整体抗火不利;当左、右两端均有支撑跨时,非支撑跨在火灾作用下的梁轴力比很大,升温后期可能因梁跨中竖向位移急剧增大而发生破坏。基于上述研究结果,给出了4类单层带支撑异形柱框架火灾行为的初步判定方法。     

火灾模型对钢交错桁架结构性能化抗火设计的适用性分析

对目前性能化防火设计中常用的4种火灾作用模型进行了分析和总结,并运用这4种模型对钢结构交错桁架在火灾时的热环境进行了模拟,分析不同火灾作用模型下该体系的结构响应,研究不同火灾作用模型对交错桁架结构性能化抗火设计的适用性。研究表明:火源功率、火灾载及火灾持续时间等因素对钢结构交错桁架的抗火分析具有重要影响。国际标准升温曲线和参数化室内升温曲线不考虑火源功率、建筑通风口等因素,缺乏针对性,分析结果偏于保守;区域模型所得温度偏低,不宜用于交错桁架结构的性能化抗火设计;场模型考虑了火源功率及环境温度分布的不均匀性,和实际火灾较接近,计算结果相对较为准确,可用于结构的性能化防火设计。     

某钢结构物流中心火灾案例及结构抗火分析

2011年3月,某钢结构物流中心发生火灾,过火面积约7000m2,损失惨重。通过对该例火灾的起因、火势蔓延、结构倒塌进行分析,探讨钢结构建筑防火设计和结构抗火措施。研究结果表明:①钢结构因本身抗火性能差,易垮塌,不利于火灾扑救;②在火灾中钢结构易整体破坏,造成重大损失;③由于未采取防火分隔,扩大了火灾蔓延途径和过火面积,加剧了火灾损失,也加大了火灾扑救难度。为了减轻火灾损失,应当:①合理设置防火分隔;②提高或保证钢柱、钢梁的耐火极限,以提升结构抗火能力;③加强对钢构件和结点的防火保护;④保证自动喷水灭火系统的正常运行,有效实施初期灭火。     

震后火作用下钢筋混凝土框架基于火灾荷载密度的易损性分析

针对钢筋混凝土框架的地震易损性分析已经较为成熟,但其震后火次生灾害作用下的易损性分析还尚未深入。采用ABAQUS软件分别建立3层和9层的钢筋混凝土框架有限元模型,选取火灾荷载密度(fire load density, FLD)作为火灾强度指标,对历经地震后损伤的混凝土框架结构进行火灾易损性分析。结果表明：随着地震动强度和火灾荷载密度的增大,钢筋混凝土框架的失效概率呈非线性增长;在相同火灾荷载密度下,历经多遇、设防、罕遇地震损伤后,9层钢筋混凝土框架发生不同程度破坏的超越概率高于3层钢筋混凝土框架;相对于顶层和中层受火,混凝土框架底层受火时发生不同破坏的超越概率相对较大,发生火灾的楼层越高,结构发生不同破坏的超越概率相对越小,可为钢筋混凝土框架的性能化抗火设计与评估提供研究参考。     

某综合楼钢结构抗火安全设计与评估(Ⅱ) --火灾作用下结构的分析及抗火验算

某综合楼为一高层钢结构建筑。试验及对火灾调查表明,由于构件相互作用及荷载传递路径的改变,整体结构中的构件的抗火性能与抗火试验中的简支梁或柱有很大不同。本文采用基于性能化思想的抗火设计方法,对该综合楼进行了整体分析,考虑了构件之间的相互作用,并结合梁产生悬链线效应后的特点,确定出构件的实际受力。据此进行了构件强度及稳定的验算,提高了构件在火灾作用下的安全性。在楼板的抗火设计中,采用较新的科研成果,考虑了薄膜效应的影响,使一部分次梁免于防火保护,降低了防火成本。     

±660kV交流滤波器高压电容塔调平

基于ABAQUS软件建立了标准升温条件下局部填充混凝土(Partially Encaed Concrete,简称PEC)柱抗火性能分析的有限元模型,计算了火灾下PEC柱的变形曲线及耐火极限,计算结果得到了已有试验数据的验证。利用上述模型分析了截面几何参数、材料物理参数、荷载比及偏心率等因素对耐火极限的影响。在参数分析的基础上,建立了标准升温条件下PEC耐火极限简化计算方法。结果表明:无耐火保护PEC柱的耐火极限一般达不到现有抗火标准的要求;荷栽比、长细比和截面周长是影响PEC柱耐火极限的主要因素;该耐火极限简化计算方法可供工程设计参考。     

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。     

大空间单跨门式刚架结构抗火性能影响因素的客观权重研究

火灾时的大空间单跨门式刚架结构抗火性能,受钢构件温升和结构整体抗火临界温度的影响.本文通过对无保护大空间建筑钢构件温升数据的统计分析,获得包含火源功率、建筑体积、钢构件截面形状系数的钢构件温升拟合公式;结合单跨门式刚架结构整体抗火临界温度数据的统计分析,获得包含荷载比、柱高和系数K的结构整体抗火临界温度拟合公式;通过分...     

考虑火灾全过程的钢管混凝土组合框架力学性能初步研究

为进一步研究真实火灾工况下钢管混凝土组合框架的抗火性能,基于有限元软件ABAQUS建立了单层单跨圆形钢管混凝土柱-组合梁平面框架经历火灾全过程的数值分析模型。通过合理选取热工参数,进行了组合框架在ISO-834标准升降温曲线下的热传分析,研究了组合框架钢管混凝土柱与组合梁截面温度场的变化规律;在热传模型的基础上,通过合理选取材料本构模型、单元类型、边界条件以及网格划分等,对经历常温加载、升温、降温以及火灾后的钢管混凝土柱-组合梁平面框架的力学性能进行初步探讨。结果表明,由于钢筋混凝土楼板在受火过程中的吸热与约束作用使组合框架在受火后仍具有较高承栽力。该方法可进一步完善钢管混凝土结构抗火分析理论,也可供实际工程应用参考。     

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。     

钢筋混凝土异形柱框架-短肢剪力墙结构振动台试验研究

异形柱框架-短肢剪力墙结构是介于异形柱框架和异形柱框架-剪力墙结构之间的一种新型结构体系。本文通过对一幢12层钢筋混凝土异形柱框架-短肢剪力墙结构1/7比例模型的地震模拟振动台试验,系统研究了该结构体系的动力特性、地震反应及破坏机理等。试验结果表明,该结构体系属于梁铰破坏机制,能满足延性设计要求,且具有良好的抗震性能和较强的抗震能力,达到了抗震设防标准。因此,该结构体系较适用于小高层住宅结构设计。     

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。     

基于纤维模型的受火后混凝土框架的有限元分析

为了分析受火后混凝土框架结构的残余力学性能,基于纤维模型的思路,将梁、柱构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及受火损伤后材料力学性能的变化。以ABAQUS通用有限元软件为开发平台,利用Python编程语言对其进行二次开发,将SAP2000建立的模型文件导入到ABAQUS中,对基于纤维模型的混凝土框架进行受火后的温度场分析和非线性力学分析。通过一个多层多跨三维混凝土框架火灾反应的实例,对该框架在受火后的力学反应进行了分析,可为评估混凝土框架结构受火后的残余力学性能提供参考。     

钢管混凝土组合柱在标准火与真实火中的行为比较

以实际工程中常用的钢管混凝土组合柱为研究对象,通过ABAQU S大型有限元软件模拟钢管混凝土组合柱在标准火和真实火中的截面温度分布、应力、变形、破坏形态、耐火极限等力学行为。其中标准火选用ISO-834标准火模型,真实火采用欧洲规范Eurocode 1 Part 1-2中的参数火模型来近似模拟真实火灾的温度—时间关系。研究发现,钢管混凝土柱在两种火场环境中的行为差异很大,真实火中的冷却过程对钢管混凝土的破坏起重要的影响。基于本研究,还初步得到火灾过程中环境温度的升温速度、柱火灾荷载比等对钢管混凝土组合柱的抗火性能的影响。