不锈钢管混凝土柱耐火性能的试验研究和数值模拟

论文摘要

随着近些年来不锈钢在建筑结构工程中日益广泛的应用，具有良好力学性能的不锈钢管混凝土柱正越来越受到研究者们的广泛关注。因此深入研究不锈钢管混凝土柱的力学性能和设计方法非常重要。本文对不锈钢管混凝土柱的耐火性能进行了研究，主要的研究工作和取得的成果如下：（1）进行了足尺圆形和方形不锈钢管混凝土柱在轴心荷载和按ISO834标准升温曲线进行升温的火灾共同作用下的试验研究。试验参数包括火灾荷载比、截面尺寸等。试验得到了不锈钢管混凝土柱轴向变形-时间曲线、截面特征点的温度-时间曲线、试件的破坏形态以及耐火极限等结果。通过对试验结果的分析，研究了试验参数对试件破坏形态和耐火极限的影响。试验结果表明，不锈钢管混凝土柱具有较好的耐火性能，其耐火极限受火灾荷载比和截面尺寸影响较大。（2）采用热力相继耦合的分析方法，建立了不锈钢管混凝土柱在轴心荷载和高温共同作用下的有限元分析模型。模型考虑了材料非线性和几何非线性、钢管和混凝土不同的热工性能及其在接触界面上的接触热阻和相互作用、初始缺陷以及非理想化边界条件等因素的影响。采用收集到的以往的相关试验数据和本文的试验结果对模型进行了验证，对比分析表明，采用该有限元模型进行温度场分析和热力学分析，结果具有较高的准确性。（3）采用建立的有限元分析模型，对按ISO834标准升温曲线进行升温的火灾作用下的不锈钢管混凝土柱的破坏形态，变形特征，内力、应力、应变、钢管和混凝土之间的接触应力等参数随时间变化的规律进行了深入的剖析。在此基础上，进一步对构件的破坏机理进行了研究。（4）采用有限元模型对影响不锈钢管混凝土柱耐火极限的各因数进行了参数分析，具体参数包括火灾荷载比、长细比、截面尺寸、不锈钢和混凝土的材料性能等。结果表明，火灾荷载比、构件长细比以及截面尺寸对构件的耐火极限有重要影响，而其他因素，包括不锈钢和混凝土的强度以及截面含钢率等，对构件的耐火极限影响较小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 火灾及结构抗火设计
• 1.1.2 钢管混凝土柱的抗火性能
• 1.1.3 不锈钢在结构中的应用
• 1.2 相关课题的研究现状
• 1.2.1 火灾下钢管混凝土柱耐火性能
• 1.2.2 不锈钢高温性能研究现状
• 1.2.3 文献综述小结
• 1.3 本文研究目的和主要内容
• 第2章 不锈钢混凝土柱耐火性能试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试件设计与制作
• 2.2.2 材料性能
• 2.2.3 试验装置和测试内容
• 2.2.4 试验过程
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 试验现象
• 2.3.2 破坏形态
• 2.3.3 温度-时间关系
• 2.3.4 轴向变形-时间关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 不锈钢管混凝土柱耐火性能有限元分析模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 热力耦合的分析方法概述
• 3.3 传热分析模型
• 3.3.1 传热理论
• 3.3.2 材料热工性能
• 3.3.3 材料界面热阻
• 3.4 力学性能分析模型
• 3.4.1 材料的热力学性能
• 3.4.2 界面接触关系
• 3.4.3 边界条件和初始缺陷
• 3.5 有限元模型的验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 火灾下不锈钢管混凝土柱的工作机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 受力机理分析
• 4.2.1 破坏形态和变形特点
• 4.2.2 内力变化
• 4.2.3 应变分析
• 4.2.4 应力分析
• 4.2.5 不锈钢管和混凝土相互作用分析
• 4.3 耐火极限参数分析
• 4.3.1 外截面直径（边长）的影响
• 4.3.2 火灾荷载比的影响
• 4.3.3 长细比的影响
• 4.3.4 混凝土强度的影响
• 4.3.5 含钢率的影响
• 4.3.6 钢材强度的影响
• 4.4 不锈钢管混凝土柱抗火设计建议
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文