考虑火灾全过程的钢管混凝土组合框架力学性能研究

论文摘要

由于钢管混凝土结构相对于钢筋混凝土结构以及钢结构具有承载力高、抗震性能好、施工方便，特别是耐火性能好以及火灾后良好的可修复性等优点，因此深入研究考虑火灾全过程的钢管混凝土组合框架的力学性能，对于结构抗火设计以及火灾后评估修复具有重要的意义。本文对实际工程中钢管混凝土组合框架在考虑常温加载、火灾升温、降温以及火灾后四个复杂阶段的力学性能和工作机理进行了研究。具体进行了以下三个方面的研究：（1）通过选择适合本文的合理的热工参数模型，火灾模型，以及边界条件等的基础上，运用有限元分析软件ABAQUS建立考虑火灾全过程的钢管混凝土柱-钢梁组合框架的温度场有限元模型，分析了不同受火时刻平面组合框架柱、组合梁构件截面的温度与时间变化规律，并与已有试验进行对比分析，以验证模型的有效性。（2）通过分析确定了常温段、升温段、降温段和高温后4个阶段钢材和核心混凝土以及钢筋混凝土楼板的材料本构关系模型，合理的网格划分以及边界条件等的基础上，建立了考虑火灾全过程的钢管混凝土柱-组合梁框架的力学有限元模型，实现了对火灾升温、降温和外荷载共同作用下的钢管混凝土组合框架的火灾全过程分析研究，并与常温下以及未考虑降温段（自然冷却）的火灾后进行对比分析，最后分析了钢管混凝土框架在火灾全过程的工作机理，进一步了解了该类结构的抗火性能。（3）对在外荷载和火灾升、降温共同作用下影响钢管混凝土柱-钢梁组合框架的P-Δ骨架曲线参数进行分析，包括：火灾荷载比、升温时间比、含钢率、钢材的强度、混凝土的强度、框架柱保护层厚度以及柱长细比等。通过与标准计算参数的分析对比，研究清楚上述参数变化时对火灾全过程作用后组合框架的P-Δ骨架曲线影响规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 火灾的危害
• 1.2 钢管混凝土的特点及发展现状
• 1.2.1 钢管混凝土结构的特点
• 1.2.2 钢管混凝土的发展现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 相关课题的研究现状
• 1.4.1 常温下钢管混凝土结构性能研究
• 1.4.2 钢管混凝土结构温度场研究
• 1.4.3 火灾下钢管混凝土结构性能研究
• 1.4.4 考虑火灾降温段影响钢管混凝土结构性能的研究
• 1.4.5 火灾作用后钢管混凝土结构性能的研究
• 1.4.6 火灾全过程钢管混凝土结构性能研究
• 1.5 文献综述小结
• 1.6 课题研究内容和拟解决的关键性问题
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 拟解决的关键性问题
• 第2章 钢管混凝土组合框架温度场分析
• 2.1 概述
• 2.2 温度场计算的有限元模型建立
• 2.2.1 火灾模型
• 2.2.2 热传导方式与定解条件
• 2.2.3 热传导模型界面处理
• 2.2.4 单元类型的划分与选取
• 2.2.5 温度场后处理
• 2.2.6 材料的热工参数
• 2.3 温度场算例分析
• 2.3.1 钢管混凝土构件截面温度场算例分析
• 2.3.2 钢管混凝土组合框架温度场算例分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 考虑火灾全过程的钢管混凝土组合框架的力学分析模型
• 3.1 概述
• 3.2 材料本构模型
• 3.2.1 钢材本构关系模型
• 3.2.2 核心混凝土本构关系模型
• 3.2.3 钢筋混凝土楼板中混凝土本构模型
• 3.3 考虑火灾全过程钢管混凝土组合框架模型的建立
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 分析步设置以及加载方式
• 3.3.3 单元选取、网格划分以及界面处理方法
• 3.3.4 不同温度阶段材料本构关系模型的转化
• 3.4 钢管混凝土构件受火算例分析
• 3.4.1 火灾下钢管混凝土柱耐火极限分析
• 3.4.2 火灾后钢管混凝土柱受火分析
• 3.4.3 火灾全过程钢管混凝土柱力学分析
• 3.5 钢管混凝土组合框架受火算例分析
• 3.6 火灾全过程后框架水平荷载（P）-变形（Δ）关系分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 考虑火灾全过程的组合框架力学性能参数分析
• 4.1 概述
• 4.2 组合框架P-Δ曲线参数分析
• 4.2.1 火灾荷载比（n）
• 4.2.2 升温时间比（t0）
• 4.2.3 含钢率（α）
• 4.2.4 柱保护层厚度（a）
• 4.2.5 钢材屈服强度（fy）
• 4.2.6 混凝土强度（fcu）
• 4.2.7 柱长细比（λ）
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 1.结论
• 2.展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 附录B 攻读硕士学位期间参加的科研项目