钢筋混凝土异形柱框架的抗火性能研究

论文摘要

钢筋混凝土异形柱框架在建筑设计及使用功能方面具有很大灵活性,近年来在实际工程中得到了广泛应用。国内外有关异形柱的抗火研究目前还只局限于构件层次,进一步深入探讨异形柱框架的火灾行为是十分必要的。本文在明火试验和数值分析基础上,先后就异形柱框架的高温灾变行为、支撑作用、受火方式影响、危险部位判定、水平位移简化计算等问题进行了探讨。本文的主要工作和结论如下:1.开展了3个混凝土异形柱空间框架在ISO834标准升温过程作用下的明火试验,考察了荷载水平和梁柱刚度比对框架破坏形态、变形特征及耐火极限的影响。试验结果表明:(1)最后破坏阶段框架梁呈现出类似悬链索的受力形式;(2)随着梁柱刚度比增加,升温后期框架梁竖向位移的增长速率有所加快,同时升温中后期框架节点转角明显减小甚至反向;(3)在破坏主要集中于框架梁的情况下,荷载水平对异形柱空间框架的耐火极限影响显著,而梁柱刚度比却影响不大。2.通过高温下混凝土异形柱框架的数值分析,研究了各主要参数对其高温变形及内力的影响规律。研究发现:(1)梁模式具有一定延性特征,柱模式却具有突然性;(2)梁跨数、梁跨度、梁荷载、梁截面尺寸及配筋率对梁模式影响较大,同时除梁荷载和梁截面高度以外的其它梁参数对柱模式也有较大影响。(3)梁两端约束越小,梁模式的出现时间越短;(4)柱端水平位移引发的二阶效应对柱模式影响较大。3.开展了4种L形截面、3种T形截面、4种十字形截面和14种矩形截面的温度场分析,对比了异形截面和矩形截面的高温区所占比例,以及截面轴向刚度和抗弯刚度的衰减规律,并通过高温结构分析考察了异形柱框架和矩形柱框架的耐火性能差异。研究表明:(1)总体上看异形截面的损伤较矩形截面严重,前者轴向刚度和抗弯刚度的衰减幅度都较大,但其抗弯刚度值有可能仍比后者大;(2)梁模式下异形柱框架与矩形柱框架的梁变形特点相差不大,柱模式下异形柱框架与矩形柱框架的耐火性能存在较大差异;(3)异形柱框架柱端节点水平位移普遍较矩形柱偏小。4.研究了单层带支撑混凝土异形柱框架的高温性能,考察了支撑位置、受火位置、支撑参数对框架火灾行为的影响规律。研究表明:(1)框架左、右两端均有支撑跨或支撑跨位于框架中部时,对结构耐火性能是有利的;而只一端有支撑跨时,对结构整体抗火不利;(2)只一端有支撑跨时,越靠近支撑的梁其轴力比越大;(3)左、右两端均有支撑跨时,非支撑跨的梁轴力比几乎没有差别;(4)支撑截面尺寸、配筋率和受火面改变对异形柱框架在梁模式或柱模式下的耐火性能的影响趋势基本相同,且影响力都偏小。5.研究了不同受火方式下混凝土异形柱框架的变形及内力特征,提出了火灾中框架危险部位的实用判定方法。研究发现:(1)火灾蔓延对柱截面温度场影响显著,截面温度场从明显不对称逐渐向对称过渡;(2)蔓延受火时框架变形及内力呈现出规律的延时性且最终收敛于全部受火的相应结果;(3)受火区间仅对相邻跨或相邻层的侧向位移和转角有一定影响,而对隔跨或隔层影响较小;(4)对于单层框架非对称局部受火情况,当框架一侧受火且受火跨数超过总跨数一半时,受火边节点的水平位移比全层受火时更大。6.以两类框架作为研究对象,基于力平衡原理,提出了一种框架节点水平位移的简化计算方法,简化计算结果与有限元分析结果总体吻合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 混凝土结构高温力学性能的研究现状
• 1.2.1 分析方法
• 1.2.2 无约束构件
• 1.2.3 约束构件
• 1.2.4 框架结构
• 1.3 混凝土异形柱结构的力学性能研究现状
• 1.3.1 异形柱的常温力学性能研究
• 1.3.2 异形柱框架的常温力学性能
• 1.3.3 异形柱的高温力学性能研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 高温下混凝土异形柱空间框架的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试件设计
• 2.2.2 试验装置
• 2.2.3 加载方式及防火措施
• 2.2.4 位移计布置
• 2.2.5 热电偶布置
• 2.3 试验过程
• 2.4 试验结果
• 2.4.1 宏观破坏形态
• 2.4.2 截面温度场
• 2.4.3 框架梁变形
• 2.4.4 框架节点变形
• 2.4.5 耐火极限
• 2.4.6 讨论
• 2.5 本章小结
• 第三章 高温下混凝土异形柱框架的数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 程序验证
• 3.2.1 梁
• 3.2.2 柱
• 3.2.3 框架
• 3.3 3D 建模与2D 建模差异性分析
• 3.4 框架破坏形态研究
• 3.4.1 梁模式
• 3.4.2 柱模式
• 3.4.3 讨论
• 3.5 参数分析
• 3.5.1 梁跨数
• 3.5.2 梁跨度长度
• 3.5.3 梁荷载
• 3.5.4 梁截面高度
• 3.5.5 梁截面宽度
• 3.5.6 梁截面配筋率
• 3.5.7 柱荷载比
• 3.5.8 柱截面肢高
• 3.5.9 柱截面配筋率的影响
• 3.5.10 柱高度的影响
• 3.5.11 讨论
• 3.6 对比分析
• 3.6.1 矩形柱与异形柱的截面温度场
• 3.6.2 异形柱框架与矩形柱框架的高温行为
• 3.7 本章小结
• 第四章 底层带支撑的钢筋混凝土异形柱框架高温受力性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 支撑的位置及受火位置的影响
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 多跨框架
• 4.2.3 三跨框架
• 4.3 其他参数的影响
• 4.3.1 支撑截面尺寸
• 4.3.2 支撑截面配筋率
• 4.3.3 支撑受火面
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 不同受火方式下混凝土异形柱框架高温性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 蔓延受火
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 柱截面温度场
• 5.2.3 结构变形及内力
• 5.3 固定受火
• 5.3.1 单层框架
• 5.3.2 多层框架
• 5.4 火灾中结构危险部位的确定
• 5.5 本章小结
• 第六章 高温下框架水平位移的简化计算方法
• 6.1 引言
• 6.2 高温下框架水平位移简化计算方法
• 6.2.1 基本假定
• 6.2.2 第一类框架
• 6.2.3 第二类框架
• 6.2.4 多层框架
• 6.2.5 参数确定
• 6.2.6 计算流程
• 6.3 有效性验证
• 6.3.1 第一类框架
• 6.3.2 第二类框架
• 6.3.3 多跨框架
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢