考虑结构整体性的组合梁抗火性能研究

论文摘要

传统的钢结构抗火设计方法是基于构件基础上的，即将构件从整体结构中提取出来进行抗火试验和设计，而实际上，结构是一个高次超静定结构，结构的这种特性会导致处于结构整体中的构件与单个构件的抗火性能具有很大不同，基于构件的设计方法既不科学也不经济，会导致或偏于保守或偏于危险的结果。组合梁是实际应用很普遍的一种结构形式，但其处于结构整体中的抗火性能、承载机理以及抗火设计方法仍然没有针对性的试验和理论研究成果。为此，本文进行了如下工作： 1．总结了当前结构抗火的研究进展，选择了适合于本文研究的高温下材料模型。 2．借助于验证后的有限元程序Ansys，对平板型组合梁和压型钢板组合梁进行了温度场参数分析，建立了温度场分布模型，并拟合出了确定温度场各个参数的实用计算方法。这是进行组合梁抗火性能分析的基础。 3．根据试验炉的条件按常用的跨高比、荷载比等条件设计了试验梁，并采用模拟实际结构刚度的约束框架为试验梁提供边界条件；进行了常温下混凝土、钢梁以及钢筋的材性试验及约束组合梁抗火试验，研究了组合梁的温度场分布特点，约束组合梁的承载特点、破坏特征，并与无约束的组合梁抗火性能和约束的钢梁抗火性能进行了对比；组合梁抗火试验数据为验证组合梁抗火能力的理论分析方法提供依据。 4．在对约束组合梁进行合理假定的基础上，分析了平板型组合梁和压型钢板组合梁正弯矩区和负弯矩区的应力分布，建立了一定曲率下的承载能力计算方法，并建立了塑性极限状态时承载能力(包括弯矩和轴力)计算方法。研究了截面温度分布对组合梁挠度的影响和组合梁轴向刚度计算方法，在此基础上建立了基于刚度——位移的轴力计算方法；给出了组合梁火灾全过程计算方法并与试验结果进行了对比。分析了火灾中下翼缘屈曲的原因，建立了屈曲后截面承载能力的计算方法。 5．利用试验验证的理论计算方法，对影响组合梁抗火性能的变量，包括荷载比、约束刚度、钢梁与混凝土相对面积比、配筋量、温度梯度进行了参数分析；对各个参数的影响程度和原因进行了分析。 6．提出了约束组合梁抗火设计的实用计算方法。总之，本文通过有限元分析、试验及理论研究，阐明了约束组合梁的抗火性能及承载机理，建立了约束组合梁抗火承载能力的全过程分析方法，并提出了约束组合梁抗火设计的实用计算方法，为抗火设计工程师提供了依据。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 常温下组合梁研究现状

1.2.1 组合结构的应用和特点

1.2.2 组合梁结构形式

1.2.3 常温下组合梁承载能力研究进展

1.3 考虑结构整体性的结构抗火性能研究进展

1.3.1 Cardinton试验

1.3.2 楼板的薄膜效应

1.3.3 梁的悬链线效应

1.4 组合梁温度场研究进展

1.5 本文的主要研究工作

参考文献

第2章高温下组合梁的材料特性

2.1 引言

2.2 高温下钢材的热物理性能

2.2.1 热传导系数

2.2.2 比热

2.2.3 密度

2.2.4 热膨胀系数

2.3 高温下钢材的力学性能

2.3.1 屈服强度

2.3.2 弹性模量

2.4 高温下混凝土的热物理性能

2.4.1 热传导系数

2.4.2 比热

2.4.3 密度

2.4.4 热膨胀系数

2.5 高温下混凝土的力学性能

2.5.1 抗压强度

2.5.2 抗拉强度

2.5.3 弹性模量

2.5.4 应力—应变关系

2.6 本文所采用的材料模型

2.7 本章小结

参考文献

第3章钢——混凝土组合梁的温度场分布研究

3.1 热分析基本原理及有限元模型

3.1.1 热分析基本原理

3.1.1.1 热传导基本方程

3.1.1.2 热传导基本方程的解

3.1.2 有限元分析模型

3.1.2.1 热分析所采用单元简介

3.1.2.2 平板型组合梁温度场分析有限元模型

3.1.2.3 压型钢板型组合梁温度场分析有限元模型

3.2 平板型组合梁温度场分布模型

3.2.1 无防火保护的平板型组合梁温度场分布模型

3.2.2 下翼缘及腹板温度Tb的确定方法

3.2.3 上翼缘温度Tt的确定方法

3.3 压型钢板型组合梁温度场参数分析及模型

3.3.1 压型钢板型压型钢板组合梁上翼缘温度场分布参数分析

3.3.2 压型钢板型压型钢板组合梁楼板温度场分布模型

3.4 楼板的温度场简化计算方法

3.5 本章小结

参考文献

第4章约束组合梁抗火性能试验研究

4.1 引言

4.2 试验目的

4.3 试验设计

4.4 材性试验

4.4.1 混凝土材性试验

4.4.2 钢筋材性试验

4.4.3 型钢材性试验

4.5 试验现象及其分析

4.5.1 CB150试件试验现象

4.5.2 CB125试件试验现象

4.5.3 试验现象分析

4.6 温度场分布及分析

4.6.1 CB150试件温度场分布及分析

4.6.2 CB125试件温度场分布及分析

4.6.3 温度场分布特点及分析

4.7 位移及挠度

4.7.1 CB150试件位移及挠度变化

4.7.2 CB125试件位移及挠度变化

4.7.3 位移变化特点及分析

4.8 与无约束组合梁及约束钢梁试验的对比

4.8.1 与无约束组合梁试验比较

4.8.2 与约束钢梁试验比较

4.9 本章小节

参考文献

第5章组合梁抗火能力理论及计算方法

5.1 常温下组合梁承载能力计算方法

5.1.1 正截面受弯承载能力计算

5.1.2 负弯矩作用时的抗弯承载能力计算

5.2 一定曲率下平板型组合梁高温下承载能力

5.2.1 正弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.2.2 负弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.3 塑性极限状态时平板型组合梁高温下承载能力

5.3.1 正弯矩取抵抗弯矩和轴力

5.3.2 负弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.4 一定曲率下压型钢板型组合梁高温下承载能力

5.4.1 正弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.4.2 负弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.5 塑性极限状态下压型钢板型组合梁高温下承载力

5.5.1 正弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.5.2 负弯矩区抵抗弯矩和轴力

5.6 组合梁高温下平衡方程和承载能力全过程分析

5.6.1 基本假定

5.6.2 高温下组合梁的总体平衡方程

5.6.3 组合梁轴向刚度和轴力

5.6.4 梁端下翼缘屈曲原因分析及屈曲后承载力分析方法

5.6.4.1 下翼缘屈曲原因分析及屈曲温度判断

5.6.4.2 下翼缘屈曲后梁端抵抗弯矩计算

5.6.4.3 考虑下翼缘屈曲后对组合梁抗火性能的影响

5.6.5 高温下组合梁承载能力全过程分析步骤

5.7 理论方法的试验验证

5.8 约束组合梁火灾下抗火性能

5.9 本章总结

参考文献

第6章组合梁抗火能力影响因素参数分析

6.1 荷载比的影响

6.2 约束刚度的影响

6.3 钢梁与混凝土相对面积比的影响

6.4 配筋率的影响

6.5 温度梯度的影响

6.5.1 截面温差的影响

6.5.2 纵向温差的影响

6.6 本章小节

参考文献

第7章考虑结构整体性的组合梁抗火实用计算方法

7.1 引言

7.2 轴力及挠度的确定

7.3 正弯矩区和负弯矩区抵抗弯矩的确定

7.3.1 正弯矩区抵抗弯矩

7.3.2 负弯矩区抵抗弯矩

7.4 计算步骤

7.5 算例

7.6 工程实例

7.7 本章小结

参考文献

第8章总结

8.1 本文主要工作回顾

8.2 本文研究的主要结论

8.3 今后的研究展望

致谢

个人简历在读期间发表的学术论文及参与的研究工作

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