钢管初应力对钢管混凝土构件轴压刚度和抗弯刚度的影响

钢管混凝土轴压刚度和抗弯刚度是对钢管混凝土结构进行抗震分析的重要指标。利用数值方法计算了考虑钢管初应力影响时的钢管混凝土轴压构件和纯弯构件荷载 -变形关系曲线 ,分析了初应力系数、截面含钢率、钢材和混凝土的强度等因素的影响规律。最后推导了考虑钢管初应力影响时钢管混凝土构件弹性抗弯刚度简化计算公式     

高温下钢材力学性能研究进展

钢结构建筑发生火灾时,钢材在高温条件下屈服强度、弹性模量等材料特性出现退化,导致钢结构承载力降低。因此,研究高温条件下钢材的材料特性具有重要意义。但目前国内外没有统一公式来表达高温下不同类型钢材的材料特性。回顾了国内外钢材高温力学性能的研究现状,包括应力-应变曲线、屈服强度和弹性模量等,将现有的普通钢、高强钢和不锈钢的一些重要试验结果与欧洲规范Eurocode 3(EC3)和国内《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200:2006)(防火技术规范)进行对比分析,检验规范的适用性。从对比的结果可以看出,相对于其它应力-应变模型而言,EC3模型更加灵活;EC3和防火技术规范规定的高温下屈服强度折减系数适用于高于600℃时的普通钢,对于高强钢和低于600℃时的普通钢则不安全;弹性模量的折减系数适用于普通钢材,而对高强钢则偏保守;对于不锈钢,EC3和防火技术规范都没有给出统一的计算公式。     

高温结构钢温度-应力耦合本构关系和梁单元的切线刚度方程

钢结构在高温下的强度和变形性能随温度和应力的耦合作用而变化。采用ECCS建议热膨胀系数、屈服强度和弹性模量确定双线性应力-应变曲线方程。高温下结构钢的变形分为瞬态应力变形、瞬态热应变和短期高温蠕变。在此基础上建立了温度—应力耦合本构关系及高温下的钢结构梁单元切线刚度方程,为钢结构的高温(抗火)分析提供合理的依据。     

马钢耐火钢高温下材料性能试验研究

为了得到高温下耐火钢的材料特性,对马钢集团开发的耐火钢在高温下的力学性能进行了试验研究。通过高温下的恒温加载拉伸试验,得到不同温度下耐火钢的屈服强度、极限强度、延伸率、面缩率和应力-应变关系,并测定高温下耐火钢的热膨胀系数,采用悬丝耦合共振法测定高温下耐火钢的初始弹性模量。试验表明,马钢耐火钢在600℃时的屈服强度大于常温下的2/3,弹性模量大于常温下的3/4。通过对试验结果的分析,拟合得到耐火钢的各力学指标参数随温度变化的计算公式,这些公式可用于耐火钢结构抗火性能的分析与设计。     

高温下不锈钢螺栓的材料性能试验研究

为了给建筑钢结构螺栓连接的抗火性能分析与抗火设计提供依据,对不锈钢螺栓高温下的力学性能进行试验研究,开展了两组不同等级不锈钢螺栓高温下的拉伸试验,得到了不同温度下不锈钢螺栓的全应力应变曲线。对不锈钢螺栓高温下的弹性模量、屈服强度和极限强度进行分析,将试验结果与不锈钢母材和耐火钢螺栓在高温下力学性能进行了对比,并对比相关规范关于不锈钢母材的推荐值,提出了不锈钢螺栓高温下弹性模量、屈服强度和极限强度的折减模型。研究结果表明:不锈钢螺栓高温下的极限强度折减系数与欧洲规范EC3中对不锈钢母材的推荐值相近,弹性模量折减系数差距较大。温度低于650℃时,不锈钢螺栓相比不锈钢母材屈服强度下降更慢;温度在500～900℃时,不锈钢螺栓相比耐火钢螺栓强度和弹性模量下降更慢。     

高温下Q345钢的材料性能试验研究

主要对我国建筑钢结构中常用的Q345钢进行了高温下的材料性能试验。试验得到的数据有 :应力 应变关系曲线、屈服强度、极限强度、弹性模量和延伸率。根据试验结果得到了可用于理论分析的高温钢材模型 ,并与其他国家推荐的高温钢材模型进行了比较     

高温条件下钢结构的应力-温度-应变的关系

钢材虽为非燃烧材料,但钢材不耐火,温度400℃时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半．温度达到600℃时,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时．一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏。高温下钢材力学性能模型的建立及其如何应用是进行结构抗火分析的关键和基础,对分析结果起着决定性的作用。近十年来,国内外学者对不同钢材的高温材料力学性能进行了研究,并取得很大进展。国内外对高温下钢材材料力学性能的研究主要包括两个方面高温下钢材的应力-应变关系和高温下结构钢材料的各项力学性能如屈服强度、弹性模量等随温度变化的模型．但这些研究仅局限于恒温加载或恒载加温两种路径下钢材各项力学性能参数随温度变化的模型。实际火灾过程中钢结构的内力和温度随时间不断变化,结构抗火分析中应考虑不同应力-温度路径下钢材的应力-温度-应变三者的耦合关系。     

国产超高强钢Q890高温力学性能试验

通过稳态拉伸试验法对国产超高强钢Q890在不同火灾高温条件下的力学性能进行了试验研究,得到高温下钢材的力学性能参数、应力-应变关系曲线和试验现象,并将所得试验结果与钢结构抗火设计规范及相关超高强钢研究文献中高温材料模型结果进行比较。分别采用多项式模型和钢材高温通用材料模型对试验结果进行数值拟合,建立高温下Q890钢力学性能参数的材料模型。结果表明:不同温度条件下的Q890钢试件在试验后有明显不同的外观特征,相应的应力-应变关系曲线基本形状差异较大;当受热温度低于500 ℃时,弹性模量和强度随温度升高逐步减小,断后伸长率变化不大;超过500 ℃后,弹性模量和强度下降速率明显加快,断后伸长率急剧增大;所建立的模型为研究Q890钢结构抗火性能及其计算方法提供理论基础。     

钢管混凝土受压短柱刚度的试验研究

针对混凝土强度对钢管混凝土受压短柱刚度的影响,进行了试验研究。结果表明,随着混凝土强度的增高,混凝土弹性模量的增大,构件的竖向和抗弯刚度均增大。混凝土强度对钢管混凝土受压短柱刚度的影响程度为：轴压构件>小偏压构件>大偏压构件。     

高温下冷弯薄壁型钢的力学性能分析

由于火灾中冷弯薄壁型钢结构的力学性能参数(如:屈服强度和弹性模量)的急剧下降,引起承载力的下降,使得力学性能成为冷弯薄壁型钢结构设计的重要指标。因此需要掌握高温下冷弯薄壁型钢的力学性能(屈服强度和弹性模量)。尽管有高温下冷弯薄壁型钢力学性能的相关试验数据,但是该数据不能涵盖各种不同等级和厚度的冷弯薄壁型钢。针对在澳大利亚经常使用的两种厚度的高强和低强冷弯薄壁型钢进行高温试验研究。拉伸试验的温度控制在20～700℃。将试验结果与已知的降低屈服强度、弹性模量和应力-应变曲线的因素进行比较,以确定哪个因素可以被提高。在昆士兰工科大学,很多不同的冷弯型薄壁型钢的试验结果用于同样类似的研究中。改进后的方程用于分析一定范围内不同等级和厚度的冷弯型钢屈服强度和弹性模量降低的因素及应力-应变曲线。给出试验结果及与之前研究结果的比较、钢的设计标准和新的计算方程。     

Fire resistance of concrete filled square steel tube columns subjected to eccentric axial load

The fire resistance of concrete filled square steel tube columns (CFT columns) without fire protection under a constant axial load has been previously examined. The purpose of this present study is to investigate the fire resistance of CFT columns when they are subjected to combined loads. This paper presents a nonlinear thermal stress analysis method for predicting the mechanical behavior and fire resistance of CFT columns under eccentric axial load (axial load and flexure moment). This method is based on the stress-strain characteristics of materials at high temperatures and on the mechanics of column deflection curves. From the results of the developed computational technique, it was demonstrated that as the yield stress and rigidity of the steel tube rapidly decreased for approximately 30 minutes, the decrease of flexure moment capacity increased significantly more than that of the axial load capacity. In addition, as the load eccentricity ratio increased, the fire resistance time drastically decreased. However, the time of maximum expansion under eccentric axial load was independent of the load eccentricity ratio.     

Experimental investigation of cold-formed steel material at elevated temperatures

This paper presents the mechanical properties data for cold-formed steel at elevated temperatures. The deterioration of the mechanical properties of yield strength (0.2% proof stress) and elastic modulus are the primary properties in the design and analysis of cold-formed steel structures under fire. However, values of these properties at different temperatures are not well reported. Therefore, both steady and transient tensile coupon tests were conducted at different temperatures ranged approximately from 20 to 1000 °C for obtaining the mechanical properties of cold-formed steel structural material. This study included cold-formed steel grades G550 and G450 with plate thickness of 1.0 and 1.9 mm, respectively. Curves of elastic modulus, yield strength obtained at different strain levels, ultimate strength, ultimate strain and thermal elongation versus different temperatures are plotted and compared with the results obtained from the Australian, British, European standards and the test results predicted by other researchers. A unified equation for yield strength, elastic modulus, ultimate strength and ultimate strain of cold-formed steel at elevated temperatures is proposed in this paper. A full strain range expression up to the ultimate tensile strain for the stress–strain curves of cold-formed carbon steel at elevated temperatures is also proposed in this paper. It is shown that the proposed equation accurately predicted the test results.     

Experimental study on mechanical properties of high-strength fire-resistant steel at elevated temperatures

为研究高强耐火钢在高温下的力学性能，通过国产Q345FR、Q420FR、Q460FR耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验，得到了20~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数，并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。研究结果表明：在温度低于350~400℃时，国产高强耐火钢屈服强度、抗拉强度高于常温的，当温度超过400℃后，屈服强度、抗拉强度开始快速下降；欧洲规范EC3中给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢；温度低于450℃时，耐火钢试验值与GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中普通钢取值更吻合；温度高于450℃时，耐火钢试验值与规范GB 51249—2017中耐火钢取值更吻合。针对Q345FR、Q420FR、Q460FR高强耐火钢，提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式，可用于耐火钢结构抗火设计。     

高强度耐火钢高温下力学性能试验研究

为研究高强耐火钢在高温下的力学性能,通过国产Q345FR、Q420FR、Q460FR耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验,得到了20~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数,并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。研究结果表明：在温度低于350~400℃时,国产高强耐火钢屈服强度、抗拉强度高于常温的,当温度超过400℃后,屈服强度、抗拉强度开始快速下降;欧洲规范EC3中给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢;温度低于450℃时,耐火钢试验值与GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中普通钢取值更吻合;温度高于450℃时,耐火钢试验值与规范GB 51249—2017中耐火钢取值更吻合。针对Q345FR、Q420FR、Q460FR高强耐火钢,提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式,可用于耐火钢结构抗火设计。     

Experimental study on size effect of circular concrete-filled steel tubular columns subjected to axial compression

为了研究钢管混凝土的尺寸效应问题,对18个圆钢管混凝土短柱进行了轴压试验,研究了试件截面弹性模量及峰值应力的尺寸效应变化规律。研究结果表明,圆钢管混凝土弹性模量受试件直径影响较小,几乎不存在尺寸效应,而峰值应力则存在一定的尺寸效应,并且受截面含钢率影响。对于截面含钢率4.5%的钢管混凝土试件,当试件直径由182mm增加到346mm时,其抗压强度由71.4MPa减小到68.9MPa,降低3.5%。此外,基于素混凝土尺寸效应及钢管混凝土承载力组成的分析,提出了不同约束水平下的钢管混凝土承载力尺寸效应计算公式。通过与文中试验数据及文献试验数据对比发现,所提出的计算公式能够准确预测钢管混凝土承载力。最后,通过对峰值应力尺寸效应进行参数分析发现,试件截面含钢率、钢材屈服强度及混凝土圆柱体轴心抗压强度均对峰值应力尺寸效应存在一定影响。     

超高强度钢材钢结构的工程应用

为了探讨超高强度钢材在我国钢结构工程中应用的可行性,本文详细介绍了超高强度钢材的品种、力学性能和化学成分,分析了超高强度钢材钢结构构件的截面残余应力和几何初始缺陷及其对受压整体稳定特性的影响。结果表明,超高强度钢材轴心受压钢柱可采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数,提高其整体稳定承载力,更加充分地发挥超高强度钢材钢柱的强度优势。本文还介绍了超高强度钢材钢结构的优点及其在国内外多个建筑结构和桥梁工程中的具体应用情况和所取得的良好效果,为超高强度钢材钢结构在我国的工程应用提供了参考。     

Local buckling and slenderness limits for steel webs under combined bending, compression and shear at elevated temperatures

At elevated temperatures induced by fire loading, the I-section beam and column elements in a steel framed building experience combinations of axial, bending and shearing actions that may precipitate local buckling of the steel element. Under this loading regime, the Young's modulus, shear modulus and uniaxial yield strength may vary through the section depth because of the temperature gradient, and as a result predicting the local buckling capacity and the critical geometrical slenderness for coincident elastic local buckling and yielding are not straightforward. This paper presents an analysis of the elastic local buckling of the web of an I-section beam, by modifying a spline finite strip method of local buckling analysis to include the variation of material properties through the web. Necessarily, the method must also include the variation of mechanical strains through the web depth, in order that the limiting depth to thickness ratio that delineates yielding and elastic buckling (and hence the cross-section classification) can be prescribed. Under the combined loading, it is shown how the elastic local buckling coefficient and the web slenderness limit that classifies a non-compact section are dependent on the thermal gradient, the depth of the compression zone in the representation of the mechanical strain, and on the values of the shear strain. Graphical results are presented for the elastic local buckling coefficients as a function of the temperature and of the temperature gradient in a web with idealised edge restraint conditions. Since the local buckling response is crucial in establishing the formation hinges in flexural elements in the initial stages of thermal loading prior to the subsequent development of catenary action, the results are valuable for undertaking a rational fire engineering design of the steel elements exposed to a compartment fire, and they lend themselves to a codified approach for the structural behaviour.     

高温后新Ⅲ级钢筋力学性能的试验研究

通过对37组共111根(?)16和(?)12新Ⅲ级钢筋高温后的力学性能试验,研究了经历不同受火温度和受火恒温时间 后的屈服强度、极限强度、弹性模量、延伸率和受拉应力-应变关系等力学性能的变化规律。试验表明。新Ⅲ级钢筋在经历 高温作用后,其屈服强度、极限强度和弹性模量在400℃以前变化不大,之后随所经历温度的升高而逐渐下降,降幅一般在 15％左右,实测的受拉应力-应变关系曲线,仍然出现明显的屈服台阶和强化段。根据试验结果,本文建议了高温后新Ⅲ 级钢筋屈服强度、极限强度、弹性模量、延伸率和受拉应力.应变全曲线计算公式。本文研究成果可作为火灾后混凝土结 构的损伤评估和非线性有限元全过程分析的依据。