基于欧洲规范的钢筋混凝土柱在不同因素影响下的抗火性能研究

基于欧洲规范,对钢筋混凝土柱在不同因素影响下的抗火性能进行了研究。介绍了国内外钢筋混凝土柱抗火研究现状,以欧洲规范为依据,提出了一个基于横截面计算的数值分析模型。分析了在ISO 834标准火的作用下,受火时间不同时,钢筋混凝土柱截面的温度分布以及极限承载力,并分别与欧洲规范和已有试验数据进行了对比,证明了计算模型稳定可靠。结合大量试验研究结果,讨论了受火时间、受火方式、截面尺寸、配筋率、轴压比和荷载偏心距、混凝土保护层厚度以及混凝土柱的长细比等因素对钢筋混凝土柱抗火性能的影响。     

异形钢管混凝土柱的耐火性能研究

建立圆形、正方形、圆端形、六边形钢管混凝土柱在火灾下的有限元模型,利用现有试验结果验证有限元模型.基于该模型,研究保护层种类、保护层厚度、截面形状和截面周长等参数对钢管混凝土柱耐火极限的影响.分析表明,试件耐火极限随着保护层厚度和截面周长的增加而增大.厚涂型涂料的防火效果优于砂浆的防火效果.在长细比和截面周长相同的情况下,圆端形钢管混凝土柱的耐火极限高于圆形钢管混凝土柱;六边形钢管混凝土柱的耐火极限优于方钢管混凝土柱;绕强轴破坏的耐火极限略低于绕弱轴破坏的情况.基于周长等效原则,可将圆端形(或六边形)钢管混凝土柱视为圆形(或正方形)钢管混凝土柱进行抗火设计.     

圆钢管及钢管混凝土柱的抗火设计

分别对圆钢管、钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土柱进行了抗火设计,并对结果进行比较分析。结果表明,在较高荷载比下柱的耐火极限不能满足实际要求,必须进行防火保护。在相同条件下,耐火极限从大到小排序为:圆钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、钢管柱。在一级耐火等级下,钢管混凝土柱和中空夹层钢管混凝土柱需要厚涂型钢结构防火涂料的厚度可比钢管柱分别少55%和18%以上。随着荷载比的减小或截面尺寸的增加,柱的耐火极限提高,需要的保护层厚度减小。对于钢管混凝土柱,若采用水泥砂浆保护层,其厚度是防火涂料的3倍及以上。     

火灾中植筋连接构件极限承载力试验研究

为研究火灾中植筋连接构件的极限承载力,进行了6个植筋连接构件的受火试验。试件设计考虑了植筋深度和保护层厚度两种影响因素。试验中先对植筋试件施加一定荷载,约为常温下常规植筋构件设计承载力的10%,且在试验过程中保持不变;然后按照ISO834标准升温曲线对植筋构件进行加热升温,待构件受火90 min后,对植筋构件进行加载直至构件破坏失效。试验结果表明:植筋深度和保护层厚度对火灾中植筋连接构件的极限承载力均有重要影响。     

部分预制装配型钢混凝土柱受火后轴压性能试验研究

为研究部分预制装配型钢混凝土(PPSRC)柱在受火后的受压性能,开展了8个足尺PPSRC柱试件在历经ISO 834标准明火试验后的轴压试验和1个未受火PPSRC柱对比试件的轴压试验,研究核心部分混凝土强度、配箍间距及截面尺寸对标准受火条件下试件截面温度-时间曲线、轴压荷载-位移曲线和剩余承载力的影响。结果表明：RPC预制外壳能对内部型钢和核心混凝土起到良好保护作用;箍筋间距、现浇混凝土强度对截面温度场影响不大,型钢保护层越大,截面内部温度升高越慢且最高温度越低;PPSRC柱受火后轴压破坏形态与常温下类似;核心混凝土强度增加,试件承载力增大;箍筋间距减小对受火后试件承载力提高有利。     

火灾下带肋薄壁方钢管混凝土柱承载力分析

对带肋薄壁方钢管混凝土柱在火灾下的承载力进行了分析,考察了各重要参数对构件承载力影响系数的影响。结果表明:在火灾作用下,带肋薄壁方钢管混凝土柱的承载力损失较为严重,在一定参数范围内,截面尺寸、构件长细比和防火保护层厚度对火灾下构件承载力影响系数的影响较大,荷载偏心率、截面含钢率的影响次之,钢管屈服强度、加劲肋屈服强度、混凝土抗压强度的影响较小,加劲肋宽厚比在荷载比≤0.3且宽厚比≤25的情况下有一定影响。在构件外表面采用防火保护能有效提高耐火极限,而且厚涂型钢结构防火涂料的效果明显优于水泥砂浆保护层。     

轴向约束对钢结构柱抗火性能的影响

采用大型商用有限元软件MSC MARC Mentat研究了钢结构柱所受轴向约束的刚度对抗火性能的影响,对无保护层钢结构柱的抗火性能进行有限元分析,分析结果与试验结果吻合较好。结果表明:在室温情况下,轴向约束有利于提高钢结构柱的极限承载力,但在高温情况下,约束刚度的增大对钢结构柱的抗火承载力却具有负面影响,轴向约束的提高降低了高温下钢结构柱的极限承载力,并降低了钢结构柱的极限温度承载力;在温度达到450°C之前,由于钢材的弹性模量改变与构件的热膨胀,导致构件的承载力降低,温度超过450°C之后,弹性模量与屈服强度的折减及构件的热膨胀所导致的约束反力共同作用,使得构件更早失效。     

宽厚比对三肢半开口冷弯薄壁型钢拼合柱轴压性能的影响

为研究宽厚比对三肢半开口冷弯薄壁型钢拼合柱轴压承载力的影响,采用ABAQUS非线性有限元分析了2种截面尺寸,4种厚度,3种长度,共计24根试件,并对拼合柱的极限承载力和最终破坏形态进行了分析。有限元结果表明对于相同长度和相同截面厚度的拼合柱,当截面尺寸从92mm增加到143mm时,其轴压极限承载力变化不明显;对于相同长度和相同截面尺寸的拼合柱其轴压极限承载力随宽厚比的增加而下降,且下降显著,下降幅度在20%左右。     

均匀受火钢筋混凝土框架极限承载力分析

对火灾高温作用下钢筋混凝土梁、柱可能破坏截面的应力、应变及内力进引分析。在此基础上,编制了钢筋混凝土梁、柱在高温作用下截面极限承载力的计算程序。运用该程序对同时受到荷载和均匀受火条件下的简单框架梁、柱可能破坏截面的极限承载力的变化及其相互影响进行计算、分析和讨论,据此提出钢筋混凝土框架在均匀受火时也要像抗震设计一样尽量满足"强柱弱梁"的要求,即"耐火强柱弱梁"的延性设计原则,为火灾抗倒塌设计提供参考。     

火灾下混凝土柱的温度场影响分析

利用SAFIR有限元分析软件对火灾下钢筋混凝土柱的温度场进行分析和计算,探讨高温下保护层厚度、截面周长、受火时间和截面配筋率对柱截面温度场的分布规律,为进一步认识钢筋混凝土柱的高温力学性能创造条件,并为开展火灾后钢筋混凝土柱的修复加固提供理论依据。     

CFRP布对不同截面混凝土柱加固性能分析

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)布对不同截面混凝土柱的加固性能,以条带用量、条带净间距、条带净宽等参数为控制变量,设计并制作了3组钢筋混凝土柱,第1组试件为方形截面柱,第2组试件为T形截面柱,第3组试件是在第2组试件的基础上,在翼缘与腹板转角处利用角钢对CFRP布进行锚固。通过对3组钢筋混凝土试件进行轴心受压试验,得到了试件极限荷载、轴向变形以及破坏形态等试验数据。采用有限元软件ABAQUS建立了一批CFRP布约束状态下的混凝土短柱,并对其力学性能进行了分析。根据试验数据及有限元分析结果,提出了CFRP条带约束状态下方形截面钢筋混凝土柱和角钢锚固CFRP条带约束状态下T形截面钢筋混凝土柱极限承载力的计算公式。结果表明：随着CFRP条带用量的增加,加固混凝土柱的承载力增大;当CFRP条带的用量相同时,极限承载力随条带净间距的减小而增大;使用角钢在T形截面柱的翼缘与腹板转角位置对CFRP条带锚固,可以更好地发挥出CFRP条带的抗拉强度,使混凝土柱的极限承载力有所提升。     

配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱轴压力学性能

为研究配有钢纤维活性粉末混凝土（RPC）免拆柱模的钢筋混凝土短柱的轴压力学性能与钢纤维RPC免拆柱模对核心钢筋混凝土短柱轴压承载力的提高效果,对2根配有不同壁厚钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土方形短柱和用于对比的1根普通钢筋混凝土方形短柱进行了轴压试验研究;采用有限元模型对试验结果进行了验证,根据试验结果及有限元分析结果,探讨了配有钢纤维RPC免拆柱模的钢筋混凝土短柱轴压承载力计算方法。结果表明:钢纤维RPC免拆柱模显著提高了钢筋混凝土短柱的极限承载力,且延缓了纵筋的屈服;随免拆柱模壁厚的增加,钢筋混凝土短柱轴向变形随之减小,极限承载力随之提高,延性也相对提高;免拆柱模不但限制了钢筋混凝土短柱在轴向压力作用下的侧向变形,而且间接减小了轴向变形;有限元计算结果与试验结果吻合良好,该计算方法可为工程实践提供参考。     

塑性铰区采用FRC柱试验研究及正截面承载力分析

采用简化的纤维增强混凝土应力应变关系,根据截面变形的平截面假定和截面力的平衡方程,推导出塑性铰区采用纤维增强混凝土柱在不同极限状态时的曲率。根据各极限状态点曲率,求得截面上各分布力,对截面形心轴取距,到塑性铰区采用FRC柱的开裂、屈服、峰值和极限点的弯矩表达式。与试验结果对比表明,计算值与试验值吻合较好。     

大偏心受压围套加固钢筋混凝土柱正截面承载力的理论分析

利用组合截面平截面应变假定, 对初始荷载为轴向压力的围套加固钢筋混凝土构件的截面应变进行了推导, 分析了极限状态时组合截面的相对界限受压区高度及混凝土与钢筋的应力大小,并提出实用计算公式。     

L形截面钢骨混凝土柱正截面承载力试验研究

为探索一种承载力高且便于施工的钢骨混凝土异形柱, 研究其破坏的一般规律和极限承载力,进行了3根以粗钢筋和型钢为钢骨的不等肢L形截面混凝土柱试件在双向偏心压力作用下的试验.试验得到试件中的钢骨及混凝土在不同荷载时的应变、裂缝开展情况以及极限承载力等相关数据.表明在双向偏心压力作用下,这种柱子破坏过程与普通钢筋混凝土构件相似,横截面平均应变符合平截面假定,极限承载力比相同截面普通钢筋混凝土异形柱有显著提高;粗钢筋作为钢骨可以有效利用钢筋与混凝土的粘结力,不必在钢骨间设置钢腹杆.粗钢筋作为钢骨便于施工.     

螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱滞回性能试验研究

为了研究螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱的滞回性能,以轴压比、配箍率、配钢形式以及截面形式为变化参数,设计10个试件（其中空腹式型钢混凝土柱对比试件1个,复合螺旋箍筋混凝土柱对比试件1个）进行低周反复加载试验。观察试件的破坏形态,获取各试件的滞回曲线和骨架曲线。分析试件的极限承载力、层间位移角、延性、耗能、强度衰减和刚度退化等抗震性能指标,以及各变化参数对其抗震性能的影响。结果表明：螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱主要表现为弯曲破坏和黏结破坏;相比空腹式型钢混凝土柱和复合螺旋箍筋混凝土柱,螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱的滞回曲线更为饱满,承载力、延性和耗能均有提高;随着轴压比的增大,其承载力、刚度和耗能能力提高,但延性和变形能力降低,强度衰减和刚度退化现象更为严重;随着螺旋箍筋配箍率的增大,承载力、刚度、延性、耗能能力和变形能力逐渐提高;相同总含钢量下,增大螺旋筋配箍率比增大型钢间接配钢率对其延性和耗能能力的提高更显著,对其承载力则相反;三种截面形式中,Ⅲ类截面试件表现出最优的抗震性能。     

增大截面法加固高温损伤钢筋混凝土柱极限承载力的简化计算

给出了火灾损伤后用增大截面法加固的钢筋混凝土柱极限承载力的简化算法 ,并由试验予以验证。此方法可较准确地计算出不同受火温度后以及不同加固混凝土的强度等级、厚度等情况下柱的极限承载力。计算结果表明 ,该简化方法实用、简单且精度较高 ,可满足工程设计的要求。     

高温喷水冷却后混凝土柱性能对比分析

为对比分析高温喷水冷却后3种约束再生混凝土柱（即螺旋筋再生混凝土柱、方钢管再生混凝土柱和圆钢管再生混凝土柱）的力学性能退化规律,以截面类型、历经温度和再生粗骨料取代率为变化参数,共设计了36个试件,进行高温喷水冷却后的轴心受压加载试验,观察了试件破坏全过程,并对比分析高温喷水冷却后这3种约束再生混凝土柱的极限承载力、初始轴压刚度和延性的差异。结果表明：随历经最高温度的增大,各种约束再生混凝土柱的极限承载力、初始轴压刚度和延性均出现了不同程度的退化,其中圆钢管再生混凝土柱退化幅度最小且较为稳定,方钢管再生混凝土柱的延性随温度升高出现了正增长;随再生粗骨料取代率的增加,方钢管和圆钢管试件的极限承载力、初始轴压刚度和延性呈现先减小后增大的变化趋势,其波动范围为-15.3%~2.3%,而螺旋筋约束混凝土柱试件受取代率影响则相对较小,其变化范围为0~12.9%。     

螺旋筋增强外包型钢混凝土柱偏压性能

为了研究螺旋筋增强外包型钢混凝土柱的偏压受力性能,设计并制作了22个试件(其中螺旋筋增强外包型钢混凝土柱试件19个和外包型钢混凝土柱对比试件3个)并进行偏心受压静力加载试验,观察试件的破坏过程,剖析失效机理,获取了其荷载 挠度曲线、荷载 应变曲线、截面应变分布和刚度退化曲线,并分析了箍筋间距、偏心距、径长比（D/a,D为螺旋筋约束直径,a为柱截面边长）、长径比、缀板间距、角钢配钢率和纵筋直径等参数对其承载力和抗弯刚度的影响。研究结果表明：相比外包型钢混凝土柱,螺旋筋增强外包型钢混凝土柱在破坏时混凝土的压溃剥落程度更小,荷载 挠度曲线下降段更为平缓;截面内型钢的环向应变呈线性分布,螺旋箍筋的应变呈非均匀分布;螺旋筋增强外包型钢混凝土柱的偏压承载力和抗弯刚度相比外包型钢混凝土柱分别提高了4%~25%和13%~39%;偏压承载力及抗弯刚度均随着箍筋间距、缀板间距、偏心距和长径比的增大而提高,随径长比的减小而降低;刚度退化速率随着螺旋箍筋间距、缀板间距和径长比的增大而提高。     

钢筋混凝土柱正截面承载力尺寸效应研究

通过对6根截面边长分别为300、500和700 mm的钢筋混凝土柱开展正截面承载力尺寸效应试验研究,分析正截面承载力、钢筋应变、混凝土压应变、中和轴高度和强度系数随截面尺寸的变化规律。结果表明:试件受压区混凝土的极限变形能力随截面边长的增大而减小;对于大尺寸试件,对混凝土的极限压应变的取值偏大;正截面承载力随截面尺寸的增大而减小,且随水平位移的增加,正截面承载力尺寸效应越明显。在试验的基础上,利用混凝土材料尺寸效应得到修正的正截面承载力计算结果,使大小尺寸试件的安全储备系数趋于一致。