力和高温共同作用下钢管混凝土短柱力学性能分析

论文摘要

钢管混凝土可以合理的利用钢材和混凝土材料的优点,因此钢管混凝土柱正广泛的在高层建筑中得到应用。与裸钢管相比,由于有核心混凝土的存在其持荷能力得到显著提升。在火灾下,核心混凝土吸收外部热量,减缓钢管温度的升高,且在钢材材性劣化时能分担钢管的荷载,从而提高了钢管混凝土柱整体的耐火极限。同时,在钢管的约束作用下防止了混凝土在高温下的剥落,使得钢管混凝土柱的耐火性能优于传统的钢筋混凝土柱。施工时钢管也作为混凝土模板,减少了对模板的需求。到目前为止,出于对经济的考虑,有些结构使用了较为薄弱的防火保护,但2001年纽约世贸中心的“9.11”恐怖袭击显露出了防火保护中存在的安全隐患。因此,有效的防火保护成为了结构中的关键问题。近年来,研究者们对高温下结构安全性能的关注与日俱增。在许多工况下,混凝土和钢结构要受到高温的影响,例如核电站和住宅火灾是最常见的情况。由于火灾下结构受力的复杂性以及众多控制参数的影响,使得对火灾下结构性能的理论还有待完善。预测火灾下钢和混凝土建筑的耐火极限对火灾发生时的救援行动至关重要,同时评估结构构件火灾后剩余承载力也是很重要的。因此,对结构来说,分析其火灾下的性能对结构火安全设计非常重要。但是由于对结构火灾下整体性能分析的复杂性,尚没有简单的计算方法。同时,标准火灾作用下的实验研究也受到经济等因素的制约。相比之下,采用基于有限元方法的数值模型计算方法是解决这一问题的有效手段。目前对于火灾下钢管混凝土柱有较多的模拟,但对火灾后的研究相对较少。钢管混凝土构件的耐火极限计算包括如下内容:温度场分布计算,热膨胀和压力作用下的单元变形以及材料强度的折减。这些部分都随着时间而变化,是一种复杂的动态过程。利用高速计算机进行有限元数值模拟是解决这一问题的有效途径,且可考虑钢管与混凝土接触界面的影响。耐火极限计算分为如下几个步骤:1)温度场计算。与钢结构不同,钢管混凝土柱截面不同位置的温度不同导致钢和混凝土的材性不同。2)变形和应力计算。近年来对于材料热工性能和力学性能有较多的研究成果,为计算应力时的选用与温度相关的材性提供了理论依据。目前的研究多集中在火灾发生时钢管混凝土柱在某一火灾阶段的性能方面,几乎没有考虑过力和高温作用历史对钢管混凝土柱火灾后性能的影响。本文基于有限元程序ABAQUS建立了分析模型,对热-力共同作用下钢管混凝土短柱的力学性能进行了研究,重点关注的是对构件常温加载、持荷升温、持荷降温,降温后加载直至破坏这一火灾全过程下的性能。在分析过程中考虑了约束历史以及钢管和混凝土接触面的影响。本文的研究目的是获得能预测钢管混凝土短柱火灾全过程作用下性能的分析模型,利用该模型对含钢率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、受火时间和初始荷载比等参数进行分析。为了实现上述研究目标,本文首先进行截面温度场计算;钢材和混凝土的材料性能在很大程度上依赖于温度,因此需要首先对钢管混凝土柱截面的温度场进行分析。通过对已有温度场实验数据的模拟,来确定温度场计算的可靠性,当模拟结果与实验结构吻合较好时可以继续下一步对钢管混凝土柱进行应力-应变分析。这一分析过程中需要考虑钢管和混凝土接触界面的影响,以及升温、降温和火灾后不同阶段材性变化的影响。与其他研究者实验结果的对比可以评估模型的有效性,同时利用该模型进行的参数分析可为今后钢管混凝土柱的设计和火灾后修复提供参考。在本文建立的基于ABAQUS的钢管混凝土短柱分析模型中,热分析的计算结果将作为初始条件输入到受力计算模型中,因此需要热分析模型与力学模型协调一致。基于以上考虑,建立模型时进行了一些对计算结果影响较小的假设:1)钢管混凝土柱沿长度方向没有热量传递,热分析时只考虑二维的柱横截面温度场;2)柱没有内部热源;3)柱端荷载通过两端的刚性板施加。此外,较多的参数需要定义来适合各分析阶段的边界条件、材料特性和单元划分。本文研究目的是预测考虑受火和持荷历史的钢管混凝土短柱力学性能,因此,模型需要可以连续计算常温下、升温过程、降温过程、火灾后等阶段的荷载变形曲线,且每一阶段都需要有相应的钢和混凝土的应力-应变关系与之相对应。本文使用与温度相关的应力-应变关系曲线。边界条件是进行结构分析模拟时的关键问题,不同的温度和荷载历史的共同作用需要在建模时进行考虑。荷载施加在加载板上,以使荷载能均匀传递给柱截面,热分析时考虑了热辐射和热对流的影响。热-力对构件的作用通常分为以下四类研究:1)升温至恒温再对构件加载;2)恒高温作用后冷却至常温再对构件加载;3)受ISO-834标准升温曲线作用后降到常温再对构件加载;4)首先常温加载至设计值NF,保持荷载不变进行ISO-834标准升温,然后降至常温后增加荷载直到构件破坏。根据假设条件,建模时可以利用钢管混凝土短柱的几何对称性来建立模型,从而减少网格划分降低对内存的需求。本文在建立钢管混凝土短柱的分析模型时根据对称性建立了截面的1/4模型,在对称面上需要对边界条件进行特殊的定义以使其变形与整体模型一致。建模时核心混凝土和加载板采用了实体单元,钢管采用了壳单元,为提高计算精度壳单元厚度上采用了9个辛普森积分点。钢管和混凝土接触面采用了硬接触,同时定义了摩擦系数。在建立有限元模型的基础上,本文主要进行了以下3个方面的工作:（1）将有限元模型计算的温度场结果与已有试验结果进行比较。已有实验对截面直径、钢管厚度、防火保护层厚度、受火时间和不同火灾曲线等参数的实验结果与有限元计算结果吻合较好。利用有限元模型进行的参数分析发现截面直径、钢管厚度和防火保护层厚度对温度场有显著影响。对升降温全过程的分析也显示出了核心混凝土的热量调节能力。（2）将有限元模型计算的不同阶段的混凝土柱应力-应变关系与已有实验结果进行比较,包括常温、恒高温、恒高温后和ISO-834标准火灾后的比较分析。计算结果与实验结果吻合较好。（3）进行了在持荷状态下考虑升温、降温和常温后再加载的火灾全过程作用下钢管混凝土短柱的力学性能分析。从参数分析结果来看,初始荷载值、受火时间和含钢率对剩余承载力系数有显著影响,且随着这些参数的增加剩余承载力系数提高。而钢材屈服强度和混凝土抗压强度的影响相对较小。在本文研究参数范围内可初步得到如下结论:（1）在初始荷载比为0.40.8的范围内,初始荷载比的大小对钢管和混凝土界面性能的影响明显。在升温阶段,初始荷载比越高,钢管和混凝土之间相互作用越强,对火灾后阶段影响越明显强,柱的剩余承载力有所提高。（2）含钢率对钢管混凝土短柱的剩余承载力影响较明显。含钢率的增加使钢材对钢管混凝土柱承载的贡献增加,降温阶段的材性恢复也会相应增加,从而增加了柱的剩余承载力。（3）研究中发现全过程火灾作用后的剩余承载力系数较不考虑荷载-温度历史的情况有所不同,初始荷载引起的轴向变形影响不能忽略。今后的研究工作应该在这两个方面进行:1)进行考虑全过程火灾的实验研究,为数值模拟进行参考;2)降温过程中混凝土的材性使用是火灾后的试验结果,这与实际情况有一定差别,需要进一步的试验研究来确定材性。另外本文研究对象是钢管混凝土短柱,应该进一步对长柱、梁柱和不同的截面柱在全过程火灾作用后的力学性能进行研究,以期对全过程火灾后结构的反应有更好的认识。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 Introduction
• 1.2 Review of relevant researches
• 1.2.1 Researches on steel and concrete behavior
• 1.2.2 Researches on numerical model
• 1.2.3 Researches on structures behavior when exposed to fire
• 1.2.4 Researches on the bond between steel and concrete
• 1.3 Research content
• Chapter 2 Temperature Field Analysis
• 2.1 Introduction
• 2.2 Modelling
• 2.2.1 Boundary condition
• 2.2.2 Material properties
• 2.2.3 Element division
• 2.3 Verifications
• 2.3.1 Fire protection
• 2.3.2 Cooling down period
• 2.3.3 Dimension factor
• 2.3.4 Model assessment
• 2.4 Parameter Analysis
• 2.4.1 Fire protection coat thickness
• 2.4.2 Diameter dimensions
• 2.4.3 Wall thickness of the steel tube
• 2.5 Conclusions
• Chapter 3 Load-Deformation Analysis
• 3.1 Introduction
• 3.2 Modelling
• 3.2.1 Material properties
• 3.2.2 Boundary condition
• 3.2.3 Element division
• 3.2.4 Entire process analysis
• 3.3 Verifications
• 3.3.1 Under constant high temperature
• 3.3.2 After exposure to constant high temperature
• 3.3.3 After exposure to ISO-834 standard fire
• 3.3.4 Model assessment
• 3.4 Conclusions
• Chapter 4 Parametrical Analysis
• 4.1 Introduction
• 4.2 Parameters Influence on the Ultimate Strength
• 4.2.1 Fire duration time
• 4.2.2 Initial load ratio
• 4.2.3 Steel yield strength
• 4.2.4 Concrete cylinder compressive strength
• 4.2.5 Interpretations
• 4.3 Conclusions
• Chapter 5 Conclusions
• References
• Acknowledgements
• Resume
• Annex