两层两跨组合钢框架抗火性能的试验研究

利用自行研制的火灾试验炉,对3榀两层两跨组合钢框架在不同火灾工况下的性能进行了试验研究,火灾工况包括:单室受火、同跨受火和底层受火三种工况,试验时,梁、板、柱同时受火,节点不受火.试验中量测了各种工况下的炉温,框架梁、柱及混凝土楼板中的温度分布及框架水平和竖向位移.结果表明:钢柱四面受火时,钢柱翼缘、腹板的温度相差很小;而单面受火时则相差较大;对于钢梁,除了与混凝土接触的上翼缘外,其余H型钢梁的裸露部分温度基本一致;混凝土内部的温升一般滞后于钢梁,钢筋混凝土板对钢梁有约束作用,升温时混凝土限制钢梁的膨胀,降温时则限制钢梁的收缩,致使钢筋混凝土板中出现很多裂缝;组合钢框架在降温时因为收缩,导致节点等处出现不同程度的破坏,并产生很大的残余变形;钢框架未受火部分对受火部分约束很大, 导致受火跨边柱与中柱的变形不对称, 同样也产生了内力重分布;组合梁的抗火性能明显优于钢柱,工程中应对钢柱和节点实施保护.     

局部火灾下多层钢-混凝土组合平面框架抗火性能分析

采用考虑高温蠕变的钢材热-力耦合本构关系及考虑高温徐变和瞬态热应变的混凝土热-力耦合本构关系模型,利用ABAQUS有限元分析软件建立火灾下钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁等构件以及节点和单层单跨框架结构的温度场和结构抗火分析的有限元分析模型,计算结果得到已有试验结果的验证。在此基础上设计一榀3层3跨钢-混凝土组合平面框架模型,建立局部火灾下该平面框架的温度场与结构抗火性能分析模型,研究局部火灾下钢-混凝土组合平面框架的抗火性能并分析其失效模式,对该平面框架的耐火极限、梁柱变形规律及柱底截面内力变化规律进行分析,并对是否考虑钢梁与混凝土板相互作用对框架梁抗火性能的影响进行研究,对梁先失效模式下框架梁与简支梁、固支梁的抗火性能进行对比分析,对柱先失效模式下钢管混凝土框架柱与两端固支钢管混凝土单柱的抗火性能进行对比分析。结果表明:梁先失效模式下考虑钢梁与混凝土板的相互作用可以充分发挥钢-混凝土组合梁的抗火性能,框架梁的抗火性能要优于简支梁且接近并略低于固支梁,柱先失效模式下两面受火时单个钢管混凝土边柱的抗火性能为框架边柱抗火性能的上限,两面受火与四面受火时单个钢管混凝土中柱的抗火性能与相应框架中柱的抗火性能较接近。     

高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能的影响

高温和荷载共同作用下钢材产生明显的蠕变变形,对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大影响。为了研究钢材高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能的影响,采用ANSYS有限元软件建立约束钢梁结构分析模型,引入普通钢材高温力学性能和蠕变特性,分析了约束普通Q345钢梁的火灾响应,并与试验结果进行了对比,验证了模型的正确性。采用验证后的模型,引入高强度Q460钢材的高温力学性能和蠕变模型,分析了高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能影响的程度,并将约束普通Q345钢梁和高强度Q460钢梁的抗火性能进行了对比。最后对考虑蠕变效应后影响约束高强度Q460钢梁的抗火性能参数进行了分析。研究表明,钢材高温蠕变对约束高强度Q460钢梁的抗火性能影响很大,蠕变不利于约束Q460钢梁抗火承载力的发挥;约束高强度Q460钢梁比普通Q345钢梁的抗火性能好,约束钢梁的极限状态可以按钢梁达到轴向最大拉力时进行设计。     

同跨受火时两层两跨组合钢框架抗火性能的试验研究

利用自行研制的火灾试验炉,对两榀两层两跨组合钢框架在同跨火灾作用下的性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火、节点不受火,梁、板受火而柱、节点不受火两种。试验中量测了各种工况的炉温,框架梁、柱及混凝土楼板中的温度分布及框架水平和竖向位移。结果表明:钢柱四面受火时,钢柱翼缘、腹板的温度相差很小;对于钢梁,除了与混凝土接触的上翼缘外,其余H型钢梁的裸露部分温度分布基本均匀;混凝土内部的温升一般滞后于钢梁,钢筋混凝土板对钢梁有约束作用,升温时混凝土限制钢梁的膨胀、降温时则限制钢梁的收缩,致使钢筋混凝土板中出现很多裂缝;组合梁的抗火性能明显优于钢柱,工程中应对钢柱和节点实施保护;钢框架未受火部分对受火部分约束很大,导致受火跨边柱与中柱的变形不对称,同样也产生了内力重分布。     

某高炉室外钢框架柱抗火性能研究

室外钢结构受火情况特殊,采用标准火灾升温曲线加载过于保守,因此宜结合实际火灾场景考虑。本文结合火灾模拟软件FDS与有限元软件ABAQUS,分析了某高炉室内火灾场景下的空气温度场分布,获得了室外钢柱表面热烟气温度,并通过公式计算出考虑火焰辐射作用的钢柱升温;将得到的钢柱温度导入有限元力学模型进行热力耦合分析,研究了高温作用下钢柱的变形以及截面应力分布情况,分析了受火过程中钢柱轴向位移的变化特点,比较了荷载比对受火钢柱位移的影响,结果表明:钢柱高温下轴向变形可分为三个阶段,即膨胀、压缩和破坏阶段;钢柱受火后支座处截面应力最大,且各柱支座截面应力分布类似;荷载比越大,钢柱受火后轴向压缩变形越大。     

高温蠕变对冷弯薄壁型钢柱抗火性能的影响

钢材高温蠕变是钢材在高温和应力作用下的塑性应变.高温蠕变会导致钢柱变形增大,耐火极限降低.为了考察高温蠕变对冷弯薄壁型钢柱抗火性能的影响程度,建立了考虑高温蠕变的抗火分析有限元模型,通过试验结果对有限元模型进行验证.利用模型研究了在不同荷载比、轴向约束刚度比、升温速率和火灾场景下,高温蠕变对冷弯薄壁型钢柱抗火性能的影响.研究表明,在有限元模型中考虑蠕变因素后,对于钢柱抗火性能的预测更为准确,更符合真实情况;在中等升温速率的火灾场景中,荷载比为0.3左右的无轴向约束钢柱因高温蠕变而引起的耐火极限的降低最为显著.     

非均匀受火下约束型钢混凝土柱力学性能研究

为了解不同受火条件下型钢混凝土柱截面温度场,同时考察受火方式、火灾荷载比、荷载偏心率、约束刚度比等参数对型钢混凝土柱抗火性能的影响,进行了14个包括四面、三面、相对两面、相邻两面、单面受火条件下轴向约束型钢混凝土柱的抗火性能试验。试验结果表明：受火面数量、受火方位对 型钢混凝土柱截面温度分布有显著影响,升温时间相同时,四面受火、三面受火、两面受火、单面受火试件截面相同位置处所经历的最高温度依此降低;距试件表面距离相同时,型钢翼缘外侧受火面温度比型钢腹板外侧受火面温度略高。受火方式、火灾荷载比、荷载偏心率、约束刚度比对升降温全过程下型钢混凝土柱轴向变形和轴力发展有显著影响,试件受热膨胀变形和降温压缩变形随受火面数的增多而增大;轴向膨胀变形随火灾荷载比的增大而减小,随荷载偏心率的增大而增大;荷载比越大,试件由轴向拉伸状态转为轴向压缩状态的时间越短,压缩程度越高。定义试验实测轴力与初始施加轴力的比值为轴力变化系数,四面受火、三面受火、两面受火、单面受火时,试件升降温后期的轴力变化系数依此递减,轴力变化系数峰值随荷载偏心率和轴向约束刚度比的增大而增大,随火灾荷载比的增大而减小。     

局部火灾下平面钢框架变形分析

应用有限元方法,采用刚性区法(CERIG命令)自动建立约束方程,并模拟平面钢框架在标准升温曲线下的温度场;然后将温度场导入结构中进行耦合计算,分析平面钢框架结构在局部火灾下的力学性能。结果表明:受火梁在三面受火情况下受热膨胀,产生反拱效应,随着温度的升高,刚度下降,挠度逐渐增大;受火柱在单面受火情况下的竖向位移取决于钢材的膨胀和软化程度,升温初期,热膨胀为主导因素,随着温度的升高,钢材逐渐软化,压缩量大于膨胀量。     

受火后型钢混凝土框架结构抗震性能研究

为了给受火后型钢混凝土框架结构的性能评估及修复加固提供方法,进行了火灾后型钢混凝土框架结构的抗震性能研究。在ABAQUS平台上,采用梁单元,同时通过编制材料子程序和场变量子程序,建立了可进行型钢混凝土框架结构火灾升降温作用下的力学性能及受火后抗震性能分析的计算模型。利用该计算模型对火灾升降温作用下型钢混凝土框架结构的变形及内力进行了分析。同时,考虑起火层位置、受火时间等参数的影响,采用考虑升降温的火灾后静力非线性分析方法和动力弹塑性时程分析方法,对火灾后型钢混凝土框架结构的破坏形态、地震作用后结构承载能力、变形特征等抗震性能进行了参数分析。分析表明,火灾升降温过程中,由于结构升温的滞后性,构件的变形增长及恢复也滞后于火灾空气升降温过程,受火后构件有残余变形;针对火灾发生在某一层的火灾工况,受火后框架承受水平地震(静力)作用时,框架破坏机构出现在底部3~5层;当受火层位于底层时,受火后框架的水平地震作用后结构承载能力降低幅度最大,受火时间为180、300 min时降幅分别为8%、9%;受火层位置越低,框架顶部位移越大;随受火时间增加,框架顶部位移增大。     

足尺钢框架结构真实火灾下耐火性能试验研究

为分析真实火灾下整体钢框架结构的耐火性能，设计了一个平面尺寸为6 m×6 m、单层层高为3 m的两跨两层钢框架足尺结构，并进行三种火灾工况下的真实火灾试验，研究了住宅火灾、仓库火灾及无防护火灾条件下的试验现象、实际温度场和力学响应。结果表明：真实火灾下钢框架的升温曲线与标准升温曲线有较大差别；受火房间的空气温度沿竖直方向呈现不均匀分布，沿水平方向温度趋于相同；防火保护使构件表面温度滞后于火场温度，且表面温度峰值和峰值后的下降速率均小于无防火保护构件的；火荷载密度增大及防火保护的缺失都将增加钢梁轴向的温度差，但不影响沿钢梁和钢柱截面方向以及钢柱轴向的温度梯度变化规律；钢梁和混凝土板相较钢柱具有更高的温度；钢框架结构设计应充分考虑防火保护，且可适当考虑墙体对建筑抗火性能的有利作用。     

型钢混凝土框架结构耐火性能有限元分析

为了研究型钢混凝土框架整体结构的耐火性能,为其抗火设计提供参考,采用受火楼层建立精细化有限元计算模型、非受火楼层建立梁单元计算模型的方法,建立了型钢混凝土框架整体结构的耐火性能计算模型。考虑火灾位置、荷载分布形式、柱轴压比等参数的影响,对火灾下型钢混凝土框架整体结构的变形规律、承载机制、破坏形态以及耐火极限进行参数分析。分析结果表明：火灾下框架结构出现了整体破坏和局部破坏两种典型的破坏形态,受火构件受到的约束作用对其耐火性能有较大的影响;在局部破坏形态中,由于受热膨胀,火灾下框架梁首先出现了较大的轴压力,受火框架梁处于压弯受力状态;之后,框架梁出现了悬链线效应,轴力对框架梁的受力状态有较大影响;在整体破坏形态中,根据轴压比及荷载分布形式的不同,框架出现了中柱破坏和边柱破坏两种典型破坏形态,同时,随楼层受火位置的升高,柱的轴压比减小,框架结构的耐火极限增加。     

考虑蠕变和残余应力释放的Q460钢柱抗火设计方法

承受荷载的钢结构在火灾下可发生明显的蠕变变形,钢结构中的焊接残余应力在火灾下也会一定程度地释放,因而高温蠕变变形和残余应力会对钢柱的耐火性能产生影响.为了准确地对高强度Q460钢柱进行抗火设计,有必要定量分析高温蠕变和残余应力释放对钢柱承载力的影响.采用电炉对2根焊接H形Q460钢柱进行耐火试验,得到无保护Q460钢柱...     

方钢管混凝土柱-钢梁框架耐火性能分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能。基于有限元方法,分析了GB/T 9978（同ISO-834）加热条件下,带有混凝土楼板的方钢管混凝土柱-钢梁单向螺栓连接框架结构的温度分布、耐火时间和破坏模式,并对有限元模拟结果进行了试验验证,在试验结果基础上采用有限元方法分析了方钢管混凝土柱构件与方钢管混凝土框架柱的耐火极限差异。研究结果表明：与方钢管混凝土框架柱的其他区域相比,方钢管混凝土框架柱节点区的温度相对较低;根据本文建议的框架结构判定准则,当单向螺栓节点连接可靠,随着作用在柱和梁上荷载水平的变化,柱破坏模式和梁破坏模式是方钢管混凝土柱-钢梁框架的主要破坏模式;当框架梁上不施加荷载,只对框架柱起到约束作用,其他条件相同时,方钢管混凝土框架柱的耐火极限大于两端铰接柱构件的耐火极限,但小于一端固接一端铰接支撑柱构件的耐火极限。     

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。     

H型截面钢柱抗火性能的试验研究

对2根H型截面钢柱进行了火灾行为的试验研究。采用足尺试验形式,柱长3 300mm,钢柱在试验过程中限制轴向变形。通过试验,得出了钢柱在火灾下的侧向变形和轴向约束力情况。试验表明,限制轴向变形对钢柱火灾行为产生明显的影响,二次受火钢柱极限温度明显降低。为今后钢结构火灾行为研究提供依据。     

Concrete filled steel tube stub columns under combined temperature and loading

A finite element analysis (FEA) model was developed to predict the load versus deformation relationships of concrete filled steel tube (CFST) stub columns subjected to a combination of temperature and axial compression. This model was used to simulate a set of CFST stub column experiments under various thermal and mechanical loading conditions, including tests at high temperature, tests on the residual strength of specimens subjected to uniform heating, and tests on specimens exposed to the ISO-834 standard fire without initial loads. Comparisons between the predicted results and the test results show that this model can predict the load versus deformation relationships with reasonable accuracy. The FEA model was then used to investigate the behaviour of CFST stub columns in a complete loading history including initial loading, heating and cooling by examing the cross-sectional stress distribution and confinement stress development at different loading phases. All specimens were loaded to ultimate strength after cooling and the residual stress index was studied with respect to a group of parameters. It can be found that the ultimate strength when considering the mutual actions of temperature and loading was slightly lower than that after exposure to fire without initial load, but the peak strain corresponding to the ultimate strength was increased significantly.     

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。     

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。     

高温火直接作用下钢梁抗火性能试验研究

为研究高温火直接作用下钢梁的抗火性能,对其进行了高温火直接作用试验;同时,以受热时间作为变化参数,对比分析了高温火直接作用和按ISO 834标准升温过程钢梁的轴力、跨中挠度及耐火时间。结果表明：高温火直接作用与按ISO 834标准升温下,钢梁破坏端面的微观组织及升温过程的受力和变形存在明显差异;无论有无防火涂层的保护,当温度800℃时,高温火直接作用下钢梁的最大轴力比按ISO 834标准升温的增大76.9%以上;同时,防火涂层厚度对钢梁的耐火时间也有影响,无防火涂层时,钢梁的耐火时间小于20min;有防火涂层保护时,随防火涂层厚度增厚,两种高温作用下,钢梁的耐火时间相近,但防火涂层厚度不足15mm时,耐火时间相差20%以上;当防火涂层厚度为15mm时,在温度约800℃高温火直接作用下,其耐火时间为26min。