L形型钢混凝土异形柱抗火性能的试验研究

论文摘要

型钢混凝土异形柱结构与普通钢筋混凝土异形柱相比，由于配置了较多的型钢，承载能力有明显提高，轴压比限值可以放宽，抗震性能明显优越。但是，型钢混凝土异形柱较传统的矩形柱而言，受火面积大，受火后截面损伤区域占总截面面积的比例较大；配置的型钢又会加大截面的热传导，使截面的损伤更加严重；过高的温度还会削弱型钢的力学性能。但是国内外对型钢混凝土异形柱抗火性能的研究还是一片空白。本文设计了4根L形型钢混凝土异形柱，针对型钢混凝土异形柱的抗火性能进行了试验、数值模拟、截面力学特性等三个方面的研究。本文主要工作和结论如下：1.进行了4根足尺型钢混凝土异形柱在标准升温曲线下的火灾试验，得到了其在受火2小时下的截面温度场，通过自制的位移测量系统测量了火灾下的竖向、侧向变形规律，火灾后的表观现象及裂缝的分布规律，得出以下结论：（1）距离受火面越近的测点温度越高，最高温度达到了600℃，反之，则温度越低；位于截面对称轴上的各点的温升都比较小，在200℃以下；槽钢两翼缘的温差均比较大，中间截面处的温差，平均为217℃。（2）各柱受火后出现的裂缝的规律基本一致，较宽的裂缝大多数是水平裂缝及与水平裂缝呈45°的斜裂缝.2.针对火灾后的损伤柱,进行了轴压、偏压试验，获得了型钢混凝土异形柱火灾后在轴压、偏压状态下混凝土和槽钢的应变；竖向和侧向变形规律；通过自制的测量装置测量了柱的粘结滑移；得到了残余极限承载力，得出了以下结论：（1）各柱无论是大偏心受压还是小偏心受压，其最终破坏都是受压区的混凝土被压碎或者剥落,受压区的槽钢基本能屈服，而受拉区的槽钢一般都没有屈服；（2）试验测量的槽钢与混凝土之间的粘结滑移较小，说明型钢与混凝土之间能够协同工作，桁架式的配钢方式能够解决型钢混凝土结构中的型钢和混凝土的粘结滑移这一基本问题；（3）在荷载的作用下，型钢混凝土柱会发生双向弯曲,相对侧向位移平均值为6.41mm，说明火灾后型钢混凝土柱仍有相当大的侧向刚度；3.借助有限元分析软件ANSYS，利用APDL语言编制了命令流，对型钢混凝土异形柱受火后的温度场进行了分析，然后采用损伤后的模型进行火灾后的轴压、偏压试验进行了分析，与试验结果进行对比发现：（1）温度场实测值与ANSYS计算值吻合较好，能反映出截面升温的一般规律；（2）影响火灾下柱变形的因素很多，ANSYS计算时忽略了瞬态热应变等因素，所以导致计算值与试验值相差较大;（3）采用有限元软件ANSYS进行分析，单元和节点数量较多，计算时间较长，占用资源较大，并且考虑的损伤指标较少，因此有必要开发一套适用于型钢混凝土异形柱结构的抗火分析程序。4.考察了截面的温度场，中性轴位置，残余极限承载力，N-M曲线的特点，进一步研究了型钢混凝土异形柱的高温受力特性,发现：（1）型钢混凝土异形柱的N-Mx曲线包络面积比普通钢筋混凝土异形柱的大，轴压下的极限承载力、极限抗弯承载力、界限破坏时的抗弯承载力比钢筋混凝土异形柱的要高；（2）随着偏心距的增大，试件破坏时，中性轴的位置不断由受拉区向受压区偏移。当荷载角为45°时，中性轴的位置与常温下类似，与弯距作用平面垂直；而对于0°和90°中性轴的位置明显与弯矩作用面不垂直；（3）平截面假定在L形型钢混凝土异形柱的截面应变中仍适用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景、意义和目的
• 1.1.1 研究的背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钢筋混凝土异形柱常温下力学性能的研究
• 1.2.2 钢筋混凝土异形柱高温下力学性能的研究
• 1.2.3 型钢混凝土异形柱常温下的力学性能研究
• 1.2.4 型钢混凝土异形柱高温下的力学性能研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 型钢混凝土异形柱的火灾试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 火灾下的试验研究
• 2.2.1 试件设计
• 2.2.2 试验方案
• 2.2.3 试验装置
• 2.2.4 试验过程
• 2.2.5 试验结果
• 2.3 火灾试验结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 型钢混凝土异形柱火灾后的受压试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 火灾后的受压试验研究
• 3.2.1 试验方案
• 3.2.2 试验过程
• 3.2.3 试验结果
• 3.3 受压试验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 型钢混凝土异形柱抗火性能的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 材料的热工性能及力学性能
• 4.2.1 高温下型钢的热工性能
• 4.2.2 高温下混凝土的热工性能
• 4.2.3 高温下型钢的力学性能
• 4.2.4 高温下混凝土的力学性能
• 4.3 温度场有限元分析
• 4.3.1 温度场计算基本原理
• 4.3.2 ANSYS 前处理及求解
• 4.3.3 计算结果及分析
• 4.3.4 火灾下的变形计算结果及分析
• 4.4 结构分析
• 4.4.1 ANSYS 前处理及求解
• 4.4.2 计算结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 火灾后型钢混凝土异形柱的截面特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 截面高温特性
• 5.2.1 截面温度场
• 5.2.2 中性轴位置
• 5.2.3 平截面假定
• 5.2.4 N-e 曲线和 N-M 包络图
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作
• 致谢