薄壁型钢—混凝土组合梁抗火性能试验研究

论文摘要

薄壁型钢-混凝土组合梁（简称组合梁）是一种新型组合构件,正逐步应用于桥梁工程、多低层建筑、高层楼盖结构。为科学认识其耐火性能并为其防火保护提供依据,论文对组合梁在ISO-834标准升温曲线下的抗火性能进行了理论研究及试验研究。首先,论文在考虑材料非线性和几何非线性的基础上,采用有限单元与有限差分相结合的方法,编写了ANSYS热分析程序,在计算程序得到相关文献验证的基础上,分析了组合梁截面的温度场。其次,在得到相关文献验证良好的基础上建立了常温下求解组合梁极限抗弯承载力的非线性有限元模型,为火灾下施加“静力荷载水平”提供了依据。然后,在运用ANSYS进行结构抗火性能分析可行性论证的基础上,编制了计算组合梁耐火极限的非线性有限元程序,并选择性地对组合梁耐火极限影响因数进行了参数化分析。最后,对设计的5根简支组合梁在ISO-834标准升温曲线下进行了耐火试验研究。理论研究及试验研究表明:1)构件截面的温度分布是非线性的,如果给予一定厚度的防火涂层,仍可以用型钢下翼缘与腹板转角处的温度来定义临界温度,由此判定组合梁是否失效。2)在升温前期（约前30min）,填充混凝土的组合梁薄壁钢板各点温度明显比不填充混凝土时低,降幅约30%～60%。3)荷载水平对组合梁耐火极限影响很大;荷载比一定时,防火保护层厚度对组合梁耐火性能影响显著,薄壁型钢腹板高度及其厚度对组合梁耐火性能也有一定影响,而混凝土强度、薄壁型钢下翼缘厚度、加载位置和加载方式对组合梁耐火性能影响很小。4)简支组合梁跨中位移达到L/25（L为梁净跨）以后,跨中变形速率增加得很快,短时间内跨中位移即可达到L/20,可取跨中位移达到L/25作为判断组合梁达到抗火极限状态的界限。5)高温下内填混凝土和型钢腹板界面之间的粘结力容易破坏,最明显的现象是火灾后两者之间留有较宽的缝隙。6)在“静力荷载”水平η=0.6的条件下,钢梁无防火保护的组合梁的耐火极限仅在6min～20min之内,为提高构件的抗火性能,多数情况下钢梁需要采取防火保护,使构件达到《建筑设计防火规范规定》的耐火极限要求。7)由于填充混凝土的吸热作用及其对薄壁钢板局部屈曲的有利影响,填充混凝土组合梁的抗火性能要明显好于不填充混凝土的组合梁。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 薄壁型钢－混凝土组合梁的特点及应用
• 1.3 国内外建筑结构抗火研究现状
• 1.3.1 国内外钢筋混凝土结构抗火研究现状
• 1.3.1.1 构件截面的温度场
• 1.3.1.2 构件和结构的高温性能及极限承载力的算法
• 1.3.2 国内外钢结构抗火研究现状
• 1.3.2.1 高温下结构钢的材料特性
• 1.3.2.2 钢构件的抗火性能试验与理论研究
• 1.3.2.3 钢结构整体抗火性能研究
• 1.3.3 钢—混凝土组合结构抗火研究
• 1.3.3.1 钢—混凝土组合柱抗火性能与研究
• 1.3.3.2 钢—混凝土组合梁抗火研究
• 1.3.4 薄壁型钢－混凝土组合梁研究现状
• 1.3.4.1 常温下的研究现状
• 1.3.4.2 高温下的研究现状
• 1.3.5 结构抗火设计的方法
• 1.3.5.1 结构抗火设计方法的发展
• 1.3.5.2 国外组合结构抗火设计的新方法
• 1.4 组合梁计算理论的研究
• 1.5 国内外规范的考虑
• 1.6 本文主要研究内容和研究方法
• 1.6.2.1 粘结滑移因素的取舍
• 1.6.2.2 网格划分的精度
• 第二章 结构材料特性
• 2.1 概述
• 2.2 材料的热工性能
• 2.2.1 混凝土的热工性能
• 2.2.1.1 热膨胀系数
• 2.2.1.2 热容
• 2.2.1.3 导热系数
• 2.2.1.4 密度
• 2.2.2 钢材的热工性能
• 2.2.2.1 热膨胀系数
• 2.2.2.2 热容
• 2.2.2.3 导热系数
• 2.2.2.4 密度
• 2.2.3 防火涂料的热工性能
• 2.3 材料的力学性能
• 2.3.1 混凝土的力学性能
• 2.3.1.1 抗压强度
• 2.3.1.2 抗拉强度
• 2.3.1.3 受压峰值应变
• 2.3.1.4 初始弹性模量
• 2.3.1.5 泊松比
• 2.3.1.6 应力－应变关系
• 2.3.2 钢材的力学性能
• 2.3.2.1 泊松比
• 2.3.2.2 强度
• 2.3.2.3 初始弹性模量
• 2.3.2.4 结构钢的应力－应变关系
• 第三章 薄壁型钢－混凝土组合梁温度场分析
• 3.1 引言
• 3.2 耦合场分析的基本概念
• 3.2.1 耦合场分析的定义及方法
• 3.2.2 耦合场分析方法的应用场合
• 3.3 算例
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 模型几何
• 3.3.3 跨中位移－时间曲线及耐火极限
• 3.4 传热模型
• 3.4.1 室内火灾与标准火灾温度－时间曲线
• 3.4.1.1 室内火灾
• 3.4.1.2 标准火灾温度－时间曲线
• 3.4.2 热分析类型及传热方式
• 3.4.2.1 热分析类型
• 3.4.2.2 传热方式
• 3.4.3 热传导方程的定解条件及求解方法
• 3.4.3.1 热传导方程的定解条件
• 3.4.3.2 温度场的求解方法
• 3.5 模型建立及算例
• 3.5.1 基本假定
• 3.5.2 单元及热边界条件
• 3.5.2.1 单元选取
• 3.5.2.2 单元划分及热边界条件
• 3.5.2.3 边界条件具体参数取值
• 3.5.3 程序验证
• 3.5.4 温度场算例
• 3.5.4.1 无防火保护构件温度场
• 3.5.4.2 有防火保护构件
• 3.5.4.3 温度场精度分析
• 3.6 填充混凝土对薄壁钢板升温的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 常温下组合梁抗弯承载力的分析
• 4.1 概述
• 4.2 文献相关试验简介
• 4.3 非线性有限元模型的建立
• 4.3.1 基本假定
• 4.3.2 单元类型的选择及本构模型
• 4.3.2.1 填充素混凝土单元
• 4.3.2.2 翼缘板钢筋混凝土单元
• 4.3.2.3 薄壁钢板单元
• 4.3.2.4 垫板单元
• 4.3.3 单元划分、约束、加载方式及求解方法
• 4.3.3.1 单元划分
• 4.3.3.2 模型约束条件
• 4.3.3.3 加载方式
• 4.3.3.4 求解方法
• 4.3.4 模型验证
• 4.4 静力荷载水平
• 4.5 本章小结
• 第五章 薄壁型钢－混凝土组合梁的耐火性能
• 5.1 引言
• 5.2 耐火极限的计算方法
• 5.2.1 基本假定
• 5.2.2 理论基础
• 5.2.3 计算过程
• 5.2.4 火灾下结构构件承载力极限状态的判别标准
• 5.3 耐火极限影响因素分析
• 5.3.1 荷载水平的影响
• 5.3.2 混凝土立方体抗压强度的影响
• 5.3.3 型钢腹板高度的影响
• 5.3.4 型钢下翼缘厚度的影响
• 5.3.5 型钢厚度的影响
• 5.3.6 防火涂料相关参数的影响
• 5.3.7 加载位置的影响
• 5.3.8 加载方式的影响
• 5.4 型钢角点温度与影响因素的关系
• 5.4.1 型钢角点温度与荷载比的关系
• 5.4.2 型钢角点温度与组合梁跨度的关系
• 5.4.3 型钢角点温度与型钢高度的关系
• 5.4.4 型钢角点温度与型钢下翼缘宽度的关系
• 5.4.5 型钢角点温度与型钢厚度的关系
• 5.4.6 型钢角点温度与导热系数λi/di 的关系
• 5.5 本章小结
• 第六章 薄壁型钢-混凝土组合梁耐火试验
• 6.1 概述
• 6.2 试验概况
• 6.2.1 试验目的
• 6.2.2 试件制作
• 6.2.3 试验内容
• 6.2.3.1 材性强度测定
• 6.2.3.2 组合梁耐火试验
• 6.2.4 试验加载方式
• 6.2.5 火灾试验升温控制
• 6.2.6 试验测量方案
• 6.3 材性试验
• 6.3.1 钢材材性试验
• 6.3.2 混凝土试块材性试验
• 6.4 耐火试验
• 6.4.1 试验集中荷载的确定
• 6.4.2 耐火试验现象
• 6.4.3 耐火试验数据分析
• 6.4.3.1 UL1 试验数据分析
• 6.4.3.2 UL2 试验数据分析
• 6.4.3.3 UL3 试验数据分析
• 6.4.3.4 UL4 试验数据分析
• 6.4.3.5 UL5 试验数据分析
• 6.4.5 相关因素对组合梁耐火性能的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢