火灾后钢管砼框架柱的受力性能分析及应用
详细信息    本馆镜像全文|  推荐本文 |  |   获取CNKI官网全文
摘要
由于钢管混凝土构件具有良好的抗火和抗震性能,在实际的工程中得到越来越广泛的应用。目前,国内外学者对钢管混凝土在常温下的力学性能研究已经比较广泛,但对其火灾后的抗震性能研究相对比较少,这使受火后钢管混凝土结构的修复、加固没有充分的理论依据。随着钢管混凝土结构在高层建筑中越来越广泛的应用,研究火灾后钢管混凝土结构的力学性能具有实际的工程意义。
     本文主要研究方形与矩形钢管混凝土的力学性能。
     本文主要研究工作为:
     第1部分.采用有限元法分析四面均匀受火的方形与矩形钢管混凝土柱的温度场,编制了相应的计算程序,分析了截面尺寸、含钢率、防火涂料保护层厚度对方形和矩形钢管混凝土温度的影响,并比较了面积相同情况下方形和矩形钢管混凝土中心点的温度。研究表明,随着钢管混凝土截面尺寸的增大,截面内温度场降低;含钢率对钢管混凝土截面内温度场影响不是很大,如果方钢管混凝土核心混凝土的面积确定,则钢管壁厚对截面温度几乎没有影响;随着防火涂料保护层厚度的增大,截面内温度场大幅度降低;在截面面积相同的情况下,随着钢管混凝土截面面积的增大,中心点的温度逐渐减小;矩形钢管混凝土中心点的温度比方形钢管混凝土中心点的温度高;这主要是因为四面受火的矩形钢管混凝土短边方向传热途径较短,传热较快,从而导致其温度升高;随着钢管混凝土截面面积的增大,方形和矩形核心混凝土中心点的温度的差值也越来越大。
     第2部分.选择了高温作用后钢管和核心混凝土的应力—应变关系;采用数值计算方法计算了钢管混凝土构件弯矩—曲率全过程曲线,通过对计算结果的分析,得到了常温下矩形钢管混凝土极限承载力的简化计算公式;通过与常温下极限承载力的比较,得到了高温后裸方钢管混凝土、防火涂料保护层方钢管混凝土、混凝土保护层方钢管混凝土的极限承载力影响系数Ψ的公式以及混凝土保护层矩形钢管混凝土的极限承载力影响系数Ψ的简化公式,通过模拟回归,得到了方钢管混凝土简化弯矩—曲率关系曲线的数学表达式,并给出了受火后钢管混凝土抗弯刚度的简化计算公式。分析结果表明:在面积相同的情况下,矩形钢管混凝土的抗弯承载力随着长宽比的增大而增加,但要保证有足够的侧向支撑;火灾后裸钢管混凝土的抗弯承载力影响系数Ψ只与截面尺寸、受火时间有关,加保护层(防火涂料或混凝土保护层)的钢管混凝土的抗弯承载力影响系数Ψ还与保护层厚度有关。
     第3部分.采用时程分析法计算框架的水平地震作用,采用层间剪切模型作为所计算框架的力学模型,采用Newmark积分方法求解动力方程,并编制了相应的程序;给出了钢管混凝土柱P—Δ骨架曲线的简化公式,确定了其主要参数(弹性刚度、屈服荷载、屈服位移),以供地震反应计算时所用,采用双线性滞回模型;利用所编制的程序计算了三个框架(8层、12层和16层)的弹塑性地震反应。分析表明:所给出的侧向力—位移简化公式所得结果与数值计算结果吻合良好,可以作为计算框架弹塑性地震反应的基本数据;所设计的三个框架在火灾前后都能够满足大震不倒的抗震要求;从三个框架火灾前后的地震反应分析得到;在常温下,对于质量和刚度比较均匀的框架结构,在地震作用下薄弱层发生在轴压比较大的底部两层;受火后一般薄弱层在底部两层和受火层,对于容易发生火灾的层要加强防火设计,以保证结构在发生火灾后不会造成太大的损失;从时程曲线中分析得到的薄弱层与极值响应图得到的薄弱层的结果基本一致,可以用这两种方法中的任一种来判断薄弱层。
     本文的研究成果可为火灾后方钢管混凝土框架的抗震设计以及震后的加固、修复提供依据,并为深入开展火灾后钢管混凝土框架抗震性能的研究奠定了基础。
Concrete-filled steel tube (CFST) members are applied in practical engineering more and more widely due to their excellent fire resistance and earthquake resistance properties. At present, mechanical behaviors of CFST at ambient temperature have been studied widely by Researchers both civil and abroad, but the researches about earthquake resistance properties of CSFT after fire are comparatively less, consequently, There are no sufficient academic backgrounds for strengthening and retrofitting of CSFT structures. With the widely use of CFST in high-rise buildings, there are practical engineering backgrounds to investigate CFST' s mechanical behaviors after fire.
    Mechanical behaviors of square and rectangular CFST columns are investigated in this paper. The main investigations are summarized as follows:
    Part 1. Finite elements method is adopted to calculate temperature field of square and rectangular CFST sections, which is subjected symmetrical fire. Calculating program is developed. Influence of section size, steel ratio and protection thickness to square and rectangular CFST' s temperature field are analyzed. Temperatures in the center of square and rectangular CFST are compared, whose areas are equal. The following conclusions are obtained: With the section size increasing, temperature fields decrease. Influences of steel ratio to temperature field are little. If the areas of square CFST is fixed on, the thickness of steel has no influence to section temperature. With the protection thickness increasing, The temperatures in section decrease rapidly. In the case of equal section areas, section areas increase, temperature in the center decrease. Temperature in the center of rectangular CFST is higher than that of square CFST. That is because short sides of rectangular CFST transmit heat more quickly. Diff
    erences of temperature in the center between square and rectangular CFST are greater with section areas of CFST increasing.
    Part 2. Stress-strain relations of steel and concrete after high temperature are chosen. The complete moment-curvature curves of CFST' s members are calculated by numerical method. Mathematical expressions of ultimate capacity of rectangular at normal temperature are obtained. Mathematical expressions of Infection parameter of ultimate capacity of square and rectangular CFST after fire are given. Simplified moment-curvature curve and stiffness of square CFST is obtained. The conclusions are follows: in the case of equal areas, ultimate capacity of rectangular increase with the ratio of length and wideness. Infection parameter of ultimate capacity is related to section size, time of fire and protection thickness.
    Part 3 Time history method is used to calculate horizontal earthquake effect of frame. Mechanics model is story shear-form model. Newmark' s integral method is used to solute dynamic equation, and Fortran program is offered. Simplified formula of P桝 framework curve of CFST is provided and make certain main parameters(elastic stiffness, yield load, yield displacement). Bilinear(Double linearity) hysteretic model is adopted. Elasto-plastic earthquake responses of three frames (8-story, 12-story, 16-story) are computed. The
    
    
    conclusions are follows: The results calculated by simplified formula of P桝 curve is well accorded with numerical results. All the three designed frames satisfied with seismic resistance regulations. Analysis from earthquake responses of three frames, we can draw conclusions: at ambient temperature, weak-stories of structures with even mass and even stiffness locate in bottom two stories. After fire, weak stories usually locate in fire stories. So story of easy catching fire must strengthen design to resist fire. We can judge weak-stories from time history curve or extreme response figures.
    The achievements in this paper can be used as the basis of seismic design of square CFST frames after fire, and may provide theoretical basis for CSFT frames' strengthening and retrofitting after fire. The results establish basis for further studying earthquake res
引文
1.韩林海,钢管混凝土结构,科学出版社,2000
    2.赵鸿铁,钢与混凝土组合结构,科学出版社,2001,227~231
    3.董毓利,土木火灾研究概览,香山科学会议,1997年10月
    4.闵明保、李延和、高本立,建筑结构火灾温度的判定方法,建筑结构,No.1,1994
    5.王致新,建筑结构防火设计的发展趋势,公安部天津消防科学研究所,1986年7月
    6.马忠诚,火灾后钢筋混凝土结构损伤评估与抗震修复(博士学位论文),哈尔滨建筑大学,1997.9
    7.钟善桐,高层钢管混凝土结构,黑龙江科学技术出版社,1999:14~15,277~338,187~276
    8.陈宝春,钢管混凝土拱桥设计与施工,人民交通出版社,1999:46~87
    9.潘友光,钟善桐,钢管混凝土轴压本构关系,建筑结构学报,1990,(1),(2)
    10.潘友光,钟善桐,钢管混凝土轴压稳定承载力理论研究方法,建筑结构学报,1992,(2)
    11.张素梅,钟善桐,空心钢管混凝土的研究和构件计算,土木工程学报,1994(3)
    12.潘友光,钟善桐,钢管混凝土轴拉本构关系,工业建筑,1990(4)
    13.蔡绍怀,焦占栓,钢管混凝土短柱的基本性能和强度计算,建筑结构学报,1984(6)
    14.蔡绍怀,邸小坛,钢管混凝土偏压柱的性能和强度计算,建筑结构学报,1985(4)
    15.蔡绍怀,顾维平,弯矩分布图形对钢管混凝土无侧移柱承载力的影响。建筑结构学报,1990(5)
    16.蔡绍怀,陆群,钢管混凝土悬臂柱的性能和承载力计算,建筑结构学报,1992(4)
    17.汤关祚等,钢管混凝土基本力学性能的研究,建筑结构学报,1982(1)
    18.韩林海,钢管混凝土压弯扭构件工作机理研究:(学位论文),哈尔滨建筑工程学院,1993(6)
    19.Han Lin-hai, et al.Finite Element Analysis for Concrete Filled Steel Tube Under Bending And Torsion. Proc. of the Intemational Conference on CAD/CAE,Beijing China,ict.1993
    20.Han Lin-hai,et al. Finite Element Analysis for Concrete Filled Steel Tube Subjected to Compression, Bending And Torsion.Proc. of the 4th Intemational Conference on Steel-Concrete Composite Structures,slovakia, Jun,1994
    21.韩林海,钢管混凝土压扭构件工作机理研究,哈尔滨建筑工程学院学报,1994(4)
    22.韩林海等,钢管混凝土压弯扭(剪)承载力相关关系及钢管混凝土统一理论设计理论构想,工业建筑,1995(1)
    23.刘学军,魏德敏,圆形钢管混凝土柱承载力计算综述,科技情报开发与经济,Vol 10,No3,2000
    24.M, Bradford.Design Strength of Slenger Concrete-Filled Rectrangular Steel Tubes.ACI Structural Journal.1999,(10):41-43
    25.H. Shakir-Khalil and J.Zeghiche.Experimental Behavior of Concrete Filled Rolled Rectangular Hollow-Section Columns.Structural Engineer.1989, 67(19): 346-353
    26.H.Shslir-Khalil and M. Mouli.Further Tests on Concrete-Filled Rectangular Hollow-Section Columns. Structural Engineer.1990, 68(20):405-413
    27.S. P.Schneider.Axially Loaded Concrete-Filled Steel Tubes.Journal of Structural Engineering.1998,124 (10):1125-1138
    28.吕西林,陆伟东,反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究,建筑结构学报,Vol 21,No 2,2000(4)
    29.韩林海,钢管混凝土框架理论分析方法初步研究,哈尔滨建筑大学学报,Vol 28,No 3 1995
    30.阎维波,钢管高强混凝土压弯构件滞回性能的理论计算与实验研究(硕士学位论文),哈尔滨建筑大学,1998(4)
    31.韩林海,我国钢管混凝土结构研究与应用的部分新进展,工业建筑,Vol 25No 1,1995
    
    
    32.顾维平等,钢管混凝土的性能与极限强度,建筑科学,1991(1)
    33.顾维平等,高强钢管混凝土长柱性能和承载能力的研究,建筑科学,1991(3)
    34.顾维平等,高强钢管混凝土偏压性能与承载力的研究,建筑科学,1993(3)
    35.陶忠,杨有福,韩林海,方钢管混凝土构件弯矩——曲率滞回性能研究,工业建筑,Vol 30,No6,2000
    36.韩林海,陶忠,闫维波,圆钢管混凝土构件弯矩—曲率滞回特性研究,地震工程与工程振动,Vol 20,No 3,2000
    37.陶忠,韩林海,方钢管混凝土压弯构件荷载——位移滞回性能研究,工业建筑,Vol 30,No6,2000
    38.韩林海,姜绍飞,曹宇清,袁彦声,大轴压比情况下钢管混凝土柱滞回性能的试验研究,钢结构,Vol 46,No 14,1999(4)
    39.张文福等,高层钢管混凝土抗侧力体系抗震分析与实验研究,哈尔滨建筑工程学院学报,增刊,1993,12
    40.黄襄云,周福霖,钢管混凝土结构地震模拟试验研究,西北建筑工程学院学报(自然科学版),Vol17,No 3,2000
    41.欧谨,黄伟淳,韩晓健,新型钢管混凝土柱框架节点低周反复荷载试验研究,地震工程与工程振动,Vol 19,No 3,1999
    42.T. T. Lie, Fire Resistance if Circular Concrete Filled with Bar Reinforced Concrete, J. of the struct Engr.,Vol 120, No 5, M94, PP 1489-1509
    43.Lin-Hal HAN, New Develoments in Fire Resistance of Concrete Filled Steel Tubes in China
    44.Lin-Hal HAN, Lei XU, Fire Resistance of Concrete Filled Steel Tubes
    45.韩林海,钢管混凝土在高温作用下温度场的非线性有限元分析,Vol 30,No 4,1997(8)
    46.徐蕾,韩林海,方形截面钢管混凝土温度场的非线性有限元分析,哈尔滨建筑大学学报,Vol 32,No 5,1999
    47.韩林海,贺军利,吴海江,韩庆发,钢管混凝土柱耐火性的试验研究,土木工程学报,Vol 33,No3,2000(6)
    48.徐蕾,韩林海,方钢管混凝土柱耐火极限的理论计算模型,工业建筑,Vol 30,No 6,2000
    49.程树良,高温后矩形钢管混凝土轴压力学性能的研究(工学硕士学位论文),哈尔滨工业大学
    50.V.K.R. Kodur, Performance of high strength concrete-filled steel columns exposed to fire,Can, J. Eng. 25:975-981(1998)
    52.韩林海,钢管混凝土结构的特点及发展,工业建筑,Vol 28,No 10,1998
    53.钟善桐,钢管混凝土结构,黑龙江科学技术出版社,1994:432~449
    54.孔祥谦,有限单元法在传热学中的应用,北京,科学出版社,1986
    55.贺军利,钢管混凝土柱耐火性能的研究,哈尔滨建筑大学,博士学位论文,1998
    56.王勖成,邵敏,有限单元法基本原理贺数值方法,清华大学出版社
    57.段文玺,建筑结构的火灾分析和处理(二),工业建筑,1985(8):51-54
    58.Lie, T. T. and Chabot, M. (1992), Experimental Studies on the Fire Resistance of Hollow Steel Columns Filled with Plain Concrete,NRC-CNRC Internal Report,No. 611.
    59.杨华,恒高温作用后钢管混凝土轴压力学性能研究,哈尔滨建筑大学硕士学位论文
    60.霍静思,标准火灾作用后钢管混凝土压弯构件力学性能研究,哈尔滨工业大学硕士学位论文
    61.宿晓萍,火灾后约束高强混凝土本构关系与已修复结构抗震性能研究,哈尔滨建筑大学,硕士学位论文。2000(6):28~32
    62.吴波,马忠诚,欧进萍,高温后混凝土变形性能及本构关系的试验研究,建筑结构学报,1999,20(5):42~49
    
    
    63.吴波,袁杰,王光远,高温后高强混凝土力学性能的试验研究。土木工程学报,2000(33)2:8~12
    64.李卫,过振海,高温下混凝土的强度和变形性能试验研究,建筑结构学报,1993(2):6~16
    65.G.T.G. Mohamedbhai." Effect of exposure time and rates of heating and cooling on residual strength of heated concrete".Magazine of Concrete Research, 1986,38(136)
    66.曹文衔,损伤累积条件下钢框架结构火灾反应的分析研究,同济大学博士学位论文,1998
    67.程树良,高温后矩形钢管混凝土轴压力学性能的研究,哈尔滨工业大学,工学硕士学位论文
    68.丰定国,王清敏,钱国芳等,工程结构抗震,地震出版社,1999年,北京,p27
    69.张文福,张百龙,网架结构设计,哈尔滨工业大学出版社,哈尔滨,1994年,p124
    70.包世华,方鄂华,高层建筑结构设计第二版,清华大学出版社
    71.现行建筑结构规范大全(6),中国建筑工业出版社,p1-34
    72.R.W.克拉夫,J.彭津著,王光远译,结构动力学,科学出版社,1985年,北京
    73.朱锦心,剪切模型弹塑性地震反应计算,地震工程与工程振动,Dec.1983,Vol.3,No.4
    74.张文福,单层钢管混凝土框架恢复力特性研究,哈尔滨工业大学博士学位论文,2000
    75.中华人民共和国国家标准建筑抗震设计规范,中华人民共和国建设部,国家质量监督检验疫总局联合发布,2001-07-20发布,2002-01-01实施

© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号

地址:北京市海淀区学院路29号 邮编:100083

电话:办公室:(+86 10)66554848;文献借阅、咨询服务、科技查新:66554700