冷弯薄壁四肢拼合箱形截面柱抗火性能研究

冷弯薄壁型钢四肢拼合截面柱是一种常用的拼合柱,主要用于多层冷弯薄壁型钢结构建筑结构中承受集中荷载。对8根拼合箱形截面柱进行了高温下整体稳定试验研究,主要考虑了不同的温度纵向分布模式和螺钉布置方式对其抗火性能的影响。试验中测得了炉温、柱温、轴向荷载、轴向位移和侧向位移等,并且得到了钢柱在高温破坏后的残余变形。根据试验结果可以判断钢柱在高温下首先发生整体屈曲,再发生局部屈曲,最后在二者相互作用下失去承载能力。试验结果表明：当螺钉间距小于300 mm时,构件截面的协同变形能力良好,单肢构件间未出现分离的现象,且随着螺钉间距减小,钢柱失效的临界温度有较大的提升;在拼合柱端部设置抗剪螺钉群对其抗火性能的提升不明显;当构件由全长受火变为上半部分受火时,构件侧移最大点位置会由中部区域向上移动靠近柱端,且达到耐火极限时,钢柱失效的临界温度升高。基于ABAQUS建立了有限元模型,模型中考虑了材料与几何非线性以及高温下螺钉的抗剪刚度。有限元模拟结果与试验结果对比发现,该有限元模型不仅可以很好地模拟该类构件高温下的变形,也可准确地预测其耐火极限与临界温度。     

Experimental investigation of built-up cold-formed steel section battened columns

This paper presents an experimental investigation on behaviour and design of built-up cold-formed steel section battened columns. The built-up columns were pin-ended and consisted of two cold-formed steel channels placed back-to-back at varied spacing of intersection. The two channels were connected using batten plates, with varying longitudinal spacing. The cold-formed steel channel sections were manufactured by brake-pressing flat strips having a plate thickness of 2 mm. The built-up cold-formed steel section battened columns had different slenderness and geometries but had the same nominal length of 2200 mm. The column strengths, load–axial shortening, load–lateral displacement and load–axial strain relationships were measured in the tests. In addition, the failure modes and deformed shapes at failure were observed in the tests and reported in this paper. Overall, the built-up column tests provided valuable experimental data regarding the column behaviour that compensated the lack of information on this form of construction as well as used to develop nonlinear 3-D finite element models. The column strengths measured experimentally were compared against design strengths calculated using the North American Specification, Australian/New Zealand Standard and European Code for cold-formed steel columns. Generally, it is shown that the specifications were unconservative for the built-up cold-formed steel section battened columns failing mainly by local buckling, while the specifications were conservative for the built-up columns failing mainly by elastic flexural buckling.     

钢板-砖砌体组合短柱轴心受压性能试验研究与理论分析

为了研究钢板-砖砌体组合柱中对拉螺栓间距、钢板厚度与结构胶侧向黏结力对钢板局部屈曲的影响,对6个钢板-砖砌体组合短柱试件进行轴心受压试验。结果表明,随着钢板厚度的增加、螺栓间距与钢板厚度之比的减小,钢板局部屈曲变形程度相对降低;可见屈曲荷载与极限荷载的比值为70%~85%左右;在有结构胶侧向黏结力作用下,钢板的局部屈曲发展受到一定程度的约束,使得采用应变片读数判断的钢板局部屈曲临界点与钢板发生可见屈曲变形时对应的荷载值可能存在差异。基于试验数据,通过拟合分析得到钢板发生可见屈曲变形时的钢板应力计算模型,提出轴心受压钢板-砖砌体组合柱钢板发生可见屈曲变形时的承载力计算式。通过与试验结果的对比可知,提出的计算方法可以用于指导类似构件的设计。     

高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能，使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系，基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型，考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响，模拟得到了钢柱的受火响应，其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明，无防护的Q690钢柱在受火20min左右发生破坏，破坏模式为整体失稳破坏；荷载比对临界温度影响较大，长细比和升温速率影响较小；Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN 1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

约束钢柱抗火性能试验研究

介绍了一组约束钢柱抗火试验,包括试验设计、钢柱温度和位移测量结果、钢柱试验后残余变形,以及试验的数值模拟等。试验变化参数为钢柱所受约束的刚度。约束刚度大小对钢柱抗火性能的影响包括:约束刚度比大的钢柱,其屈曲温度和破坏温度均较低;钢柱屈曲后,约束刚度比大的钢柱在变形较小时即可达到新的平衡位置;约束钢柱的破坏温度一般高于其屈曲温度,且随轴向约束刚度比的增大,破坏温度与屈曲温度之差增大。试验结果与有限元分析结果进行了对比,两者吻合较好,有限元方法研究约束钢柱抗火性能具有较高的精度。     

Behaviour and design of restrained steel column in fire,Part 1: Fire test

This is the first of the three companion papers dealing with the restrained steel column behaviours in fire. This paper reports the results of two new fire tests on axially and rotationally restrained steel columns that have different axial restraint stiffness. Axial and rotational restraints were applied by a restraint beam. The external applied axial load was kept constant during the fire test. The increase and decrease in axial force in the restrained steel column was borne by the restraint beam. Test results included the temperature, the axial displacement and the lateral deflection of the test column. It was found that the axial restraint reduced the buckling temperature of a restrained column. The effects of axial restraint to the failure temperature depended on the load ratio and the axial restraint stiffness ratio. A Finite Element Method (FEM) model was built to simulate the fire test. The damping factor fitting for simulating behaviours of restrained steel column in fire was selected through parametric analysis. The validated FEM model was used to perform parametric studies on the behaviour of restrained steel column in Part 2, results of which were used to develop a practical design method for restrained steel column in fire in Part 3.     

冷弯薄壁型钢四肢拼合箱形柱偏压受力性能试验研究与数值分析

对冷弯薄壁型钢四肢拼合箱形截面立柱进行轴压和偏压试验研究,得到各试件的荷载-位移曲线和极限承 载力,详细分析了试件的屈曲模式和破坏特征。建立了考虑材料、几何和接触非线性的有限元模型对试验试件进 行模拟分析,两者吻合较好,验证了有限元方法的正确性。进而采用数值方法分析了构件长细比、螺钉间距和位 置、偏心距和偏心方向对该类拼合立柱偏压受力性能的影响。结果表明：双向刀铰支座可以很好的实现铰接;螺 钉间距为300mm时,拼合柱各肢整体协同工作性能良好;轴压和绕弱轴偏压试件最终破坏模式均为绕弱轴整体弯 曲,绕强轴偏压时,试件破坏模式为弯扭失稳,但扭转不明显;拼合柱的偏压极限承载力和刚度随长细比和偏心 距的增大而降低;偏心距相同时,拼合柱绕强轴偏压的极限承载力和刚度比绕弱轴偏压略高。     

Fire performance of axially restrained steel reinforcedconcrete columns

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能，以荷载比、偏心率和含钢率为参数，开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式，研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时，施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱，高温下柱首先缓慢膨胀，然后逐渐压缩破坏；由于轴向约束分担了柱的竖向荷载，压缩变形随时间变化较为缓和，轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱，高温下其膨胀变形大于轴心受压柱，且膨胀变形先增加再减小；轴向约束增加了柱的竖向荷载，缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著，荷载比越大，耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时，偏心率越大，柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加，会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

轴向约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能,以荷载比、偏心率和含钢率为参数,开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式,研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时,施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱,高温下柱首先缓慢膨胀,然后逐渐压缩破坏;由于轴向约束分担了柱的竖向荷载,压缩变形随时间变化较为缓和,轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱,高温下其膨胀变形大于轴心受压柱,且膨胀变形先增加再减小;轴向约束增加了柱的竖向荷载,缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著,荷载比越大,耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时,偏心率越大,柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加,会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

截面温度不均匀受约束钢柱抗火性能试验研究与有限元分析

截面温度不均匀钢柱火灾下将发生热弯曲及扭转屈曲破坏,同时对热变形的约束导致钢柱内在升温阶段产生附加压力,在降温阶段出现附加拉力。分别考虑3种约束刚度比和3种截面温度分布形式,进行了9根受约束钢柱的抗火试验,量测了受约束钢柱达到最大轴力时的温度（屈曲温度）、轴力恢复至初始荷载对应的温度（临界温度）及破坏温度,研究其在火灾升温和降温阶段的受力性能、破坏特征。试验结果表明,截面温度不均匀导致钢柱在绕截面对称轴弯曲时同时发生扭转;约束刚度比越大,钢柱的屈曲温度越低,破坏温度与屈曲温度之差越大;截面温差越大,钢柱屈曲温度和破坏温度越高。同时对试验钢柱进行了有限元分析,分析结果与试验结果基本一致,验证了所建立的有限元分析模型的正确性。     

交错桁架延性段双槽钢组合截面弦杆往复弯曲性能试验研究

为研究交错桁架钢框架结构中采用双槽钢组合截面的桁架弦杆延性区段的抗震性能,对8个双槽钢组合截面足尺试件进行往复弯曲荷载作用下的滞回性能试验。重点研究了填板间距、侧向支撑设置、加劲肋设置等因素对该类型截面构件滞回性能的影响。试验结果表明：减小填板间距可减小单肢槽钢平面外长细比,防止组合截面试件发生单肢槽钢失稳,保证双肢槽钢共同工作;塑性铰处设置侧向支撑可有效限制塑性铰区域槽钢发生平面外变形,保证试件不发生整体弯扭失稳,提高构件耗能能力;在塑性铰区域设置加劲肋可限制板件的局部屈曲,保证试件在循环加载过程中的耗能机制为“屈服耗能”,提高构件的耗能及转动能力。研究成果可为交错桁架钢框架中双槽钢组合截面桁架弦杆的工程应用提供参考。     

装配式钢结构模块连接节点耐火性能试验研究

摘 要：以“角件旋转式连接模块”钢结构节点作为研究对象,开展了两种不同防火保护条件下节点的耐火性能试验,研究不同防火保护条件下节点的变形特点、破坏形态和耐火性能,试验方法遵循国家标准GB/T 9978.1-2008。试验表明：1）钢柱采用三层高性能防火石膏板（15+20+20） mm进行保护、钢梁采用双层高性能防火石膏板（20+20） mm进行包覆的节点试件A,在试验试件193 min内未发生破坏,除节点中间部位部分防火板发生脱落外,试件保护层整体保持较好的完整性,钢柱截面角部的温度测点受两个面的传热作用升温速度较快;由于节点角件的壁厚较厚,其温度整体略低于钢柱与钢梁;钢梁由于截面形状系数较大且防火保护弱于钢柱,钢梁温度较高;从试件的轴向变形曲线中可以看出整个试验过程中试件基本处于受热膨胀状态,未达到耐火极限。2）钢柱、钢梁均用60 mm厚的岩棉（120 kg/m3）及2层12 mm厚纤维增强型硅酸钙板进行包覆的节点试件B,试验过程中随着温度升高试件发生膨胀,防火板之间的拼缝不断扩大,但防火保护层基本保持相对完好的状态;131 min时试件开始出现压缩变形,为保障试验炉的安全停止试验;试件B各测点的温度分布规律总体上与试件A类似,但各测点升温曲线存在较大的离散性,这可能与该试件的轻钢龙骨变形造成防火板间拼缝扩大有关,炉内热烟气从拼缝进入试件内部,导致各测点的升温存在较大差异;从柱的轴向变形曲线可以看出在约128 min时钢柱已经停止膨胀并出现压缩趋势,表明试件已经开始出现局部或整体屈曲,试件开始进入破坏阶段,根据相关试验经验试件将较快达到耐火极限;试验结束后,可观察到钢柱局部已经发生轻微屈曲;综合判断,该试件基本接近失效状态。3）两个试件的温度曲线在100 ℃左右均持续了一定时间形成曲线平台,这主要是由于防火保护材料中的水分蒸发带走热量,延缓了温度的升高;4）试件B防火保护层板材的完整性相对较好,但是由于轻钢龙骨受热变形导致拼缝出现了较大的开裂,使钢结构的升温更高,因此采用轻钢龙骨进行固定的防火保护方式应选用稳定性较好的轻钢龙骨并安装牢固。5）试验得出装配式钢结构试验试件在三层高性能防火石膏板（15+20+20） mm的保护下,连接节点的耐火极限不低于3.00 h;在双层12 mm厚纤维增强型硅酸板和60 mm厚岩棉的保护下,连接节点的耐火极限不低于2.00 h。     

双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯性能研究

对6个单肢冷弯薄壁型钢C形截面梁和18个双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁进行了受弯性能试验研究 ,考察梁跨高比、翼缘宽厚比、截面高宽比、螺钉连接间距以及腹板开孔对双肢拼合工字形截面梁破坏模式和极 限受弯承载力的影响,验证双肢拼合截面梁受弯承载力具有“1×2≥2”的拼合效应,并采用ANSYS有限元软件进 行数值模拟与影响因素分析。结果表明：试件的破坏模式为翼缘及腹板局部屈曲和畸变屈曲的相关屈曲形式。改 变翼缘宽厚比和截面高宽比对双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁的承载力影响最大,而改变螺钉连接间距 （300~600mm范围内）和梁跨高比对工字形梁的承载力影响较小。在实际工程设计中,建议腹板开孔采用圆形孔 洞形式,腹板开孔截面积比例取为35%~50%之间,同时腹板开孔间距应不小于400mm。在双肢拼合工字梁受弯承载 力折减强度法的基础上,提出了适用于腹板开孔双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯承载力计算的强度折减 修正法。     

预应力轴压撑杆钢柱高温性能试验研究与数值分析

为研究预应力轴压撑杆钢柱的高温性能，进行了2根预应力撑杆钢柱高温试验。试验结果表明：拉索无防火措施时，其相对张力在初始升温阶段就迅速下降，直至完全松弛；预应力撑杆钢柱的轴向变形先由于热膨胀效应轴向伸长，而后在压力作用下轴向压缩；临界状态时，撑杆柱出现对称和反对称两种失稳形态。采用验证后的ANSYS有限元分析模型，考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷等，分析了荷载比、相对轴向刚度比和预应力比等3个关键参数对预应力撑杆柱高温性能的影响，得到了一系列拉索相对张力、侧向变形和轴向变形分别与时间的关系曲线。分析表明：预应力撑杆柱中拉索张力很快在高温下逐渐松弛，达到张力松弛所需时间主要受预应力比影响；预应力撑杆钢柱的侧向变形在升温初期缓慢增长，在失效前增长迅速；随着荷载比增大，预应力撑杆柱侧向变形和轴向变形越来越明显，且达到峰值所需时间不断缩短；预应力比对撑杆钢柱失效临界温度影响较小，但对预应力撑杆柱的破坏形态有较大影响。     

双槽钢缀板柱绕虚轴的滞回性能试验研究

为研究双槽钢缀板柱绕虚轴的抗震性能,对6个双槽钢缀板柱足尺试件进行水平往复荷载试验研究,分析了单肢长细比、缀板线刚度、轴压比、加劲肋设置等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力及延性的影响。试验结果表明：按GB 50017—2017《钢结构设计标准》设计的双槽钢缀板柱在绕虚轴往复荷载作用下不能达到设计塑性受弯承载力,减小单肢长细比,可显著提高构件塑性抗弯承载力及初始刚度,当单肢长细比为20时,构件绕虚轴受弯承载力可达到规范相关要求;在满足规范要求的情况下,缀板及其连接焊缝未发生破坏,但提高缀板线刚度对构件绕虚轴的抗震性能影响较小;轴压比对构件抗震性能影响显著,随着轴压比增大,构件抗震性能降低;在构件塑性铰区设置加劲肋,可有效防止该区域板件的局部屈曲,提高构件的承载力、延性及耗能能力,缓解承载力及刚度退化,但塑性铰区转移至第二与第三块缀板间,试件破坏模式为单肢失稳。     

Experimental study on local buckling of axially compressed steel stub columns at elevated temperatures

There are few design provisions in codes and standards on local buckling of steel columns under fire conditions. To examine the local stability of steel stub columns at elevated temperatures, 12 stub columns were tested under simultaneous application of load and fire conditions. The test variables included Grade (type) of steel, buckling resistance, temperature and load levels. During fire tests, cross sectional temperatures, axial displacement, buckling deflection, and local buckling failure modes of flange and web of stub columns were recorded at various temperatures. Data from the tests is utilized to evaluate buckling resistance of flange and web both at room and elevated temperatures by applying the ultimate strain method and curve inflexion point method. Results from fire tests are utilized to validate a finite element model developed for tracing local buckling of steel columns at elevated temperatures. Results from fire tests and finite element analysis show that failure mode of columns at room and elevated temperatures follow similar pattern but the load bearing capacity of Q460 steel columns degrade much more rapidly under fire conditions than that of Q235 steel columns. Further, Eurocode 3 provisions for local buckling produce non-conservative results in certain situations.     

Effect of chord configuration and spacing on cyclic flexural response of built-up columns

As per the current codes of practice, the design of battens of a built-up steel column depends on the level of axial load. These columns may not reach their plastic moment capacities under the lateral loading due to the premature instability of main chords in the expected plastic hinge regions. In this study, the cyclic performance of built-up battened columns is analytically evaluated under the gradually-increasing lateral displacements and the constant axial loads using a finite element software ABAQUS. The main parameters varied are the chord spacing, the column slenderness ratio, the level of axial load, and the chord configuration. Ninety-eight FE models of battened columns are analysed in this study in which the hot-rolled steel channel or I-Sections are used as the main chords. The analytical results showed that the built-up columns made up from I-sections have better lateral strength and ductility as compared to the Channel sections for nearly same values of axial load and slenderness ratio. Based on the analytical results, the limiting values of chord spacing, slenderness ratio and level of axial loads are proposed in order to delay the effect of instability on their lateral load resistance. Further, the interaction between axial load-moment capacity of built-up columns is discussed for various types of chord configurations.     

防火涂料局部破损后约束钢柱的临界温度

为了研究防火涂料局部破损后钢柱的抗火性能,根据分段平衡微分方程,分别推导了两端铰支和固支的钢柱局部防火涂料破损后高温下的挠曲线方程,采用边缘屈服准则得出了局部防火涂料破损后轴向约束钢柱临界温度的计算方法。用有限元对高温下的挠度和轴向位移进行了验证,结果吻合较好。通过算例计算了两端铰支轴向约束刚度内力随温度的变化关系,并计算了临界温度。研究结果表明:轴向约束增加高温下钢柱的内力,降低钢柱的临界温度;破损长度越长、轴向约束刚度越大,临界温度越低。     

带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱滞回性能研究

对3根带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱进行滞回试验,主要参数为轴压比。试验结果表明：纵向加劲肋有效延缓了钢管壁局部屈曲的发生;其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;随着轴压比的增大,柱承载力略有增大,而延性、耗能能力则明显减小;当横向位移大于6倍的屈服位移时,大轴压比的刚度退化速度最快。建立了该类试件的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对该类构件开展机理分析和参数分析。结果表明：在带肋冷弯薄壁方钢管的约束下,核心混凝土的强度得到了较大提高;钢管局部屈曲发生在峰值荷载后,局部屈曲只发生在纵向加劲肋和钢管角部间;材料强度、轴压比、钢管宽厚比和长细比等参数对该类构件的承载力有较大影响;混凝土强度、轴压比和长细比对荷载-位移骨架曲线形状有较大影响。基于参数分析建议了该类构件的简化滞回模型,简化计算结果和有限元计算结果吻合较好。     

足尺震损钢筋混凝土柱耐火性能试验研究

地震次生火灾具有发生概率高、灾害破坏力强、损失巨大和机理复杂等特点,为分析震后火灾环境下钢筋混凝土柱构件的抗火性能,以钢筋混凝土柱的裂缝、混凝土剥落和残余变形作为地震损伤形式,设计了7根带有预制损伤的足尺钢筋混凝土方形截面柱,进行明火试验,研究不同几何损伤形式及损伤程度对混凝土柱的火灾破坏特征、截面温度场分布、竖向变形过程及耐火极限等性能影响规律。试验结果表明,预制损伤混凝土柱构件的火灾破坏程度明显大于无损伤混凝土柱,其中混凝土剥落对震损柱内部温度场及耐火性能的影响最大。根据足尺混凝土柱的耐火试验结果,采用ABAQUS有限元软件分析震损混凝土柱的温度场分布与耐火极限,结果表明：当试件端部产生保护层剥落时,剥落区轴向等温线向柱中心凹陷,整体呈“瓶颈”状;轴压比与剥落厚度对震损混凝土柱耐火极限有较大影响;残余变形小于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中的弹塑性层间位移角1/50时,残余变形对震损混凝土柱的耐火极限影响有限。通过拟合得到了混凝土柱的轴压比、残余层间位移角、剥落厚度与其耐火极限之间的量化关系式,关系式计算结果与试验结果吻合较好。