约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析

利用SAFIR程序,开展了约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析。考察了轴向/转动约束刚度比、截面边长、荷载比、荷载偏心率、配筋率、升温时间等参数对ISO834标准升降温过程作用下约束混凝土柱的轴力的影响规律,并与单调升温时的相应规律进行了比较。通过对2880种工况的计算分析,建议给出了该类构件轴力变化系数的实用计算方法。研究结果表明:对于轴向/转动约束混凝土柱,无论单调升温还是先升温后降温,轴力变化系数总体都呈现出先逐渐增大而后有所减小或基本保持稳定,最后以较大速率持续降低的趋势,主要区别在于后期单调升温对应的降低速率一般比先升温后降温时更大;对于先升温后降温的轴向/转动约束混凝土柱,转动约束刚度比、柱长和混凝土保护层厚度对轴力变化系数影响较小,而轴向约束刚度比、荷载偏心率和配筋率越大或荷载比和截面边长越小,轴力变化系数的峰值就越大。     

基于子结构模型的约束PEC柱抗火性能研究

利用有限元软件ABAQUS建立包含部分梁、柱、板的约束PEC柱子结构顺序热-力耦合分析模型,计算了子结构轴向位移变化曲线和耐火极限。应用约束PEC柱抗火试验数据验证了模型的合理性。结果表明,随着荷载比的增加,柱轴向变形峰值和耐火极限减小;随着轴向约束刚度比的增加,柱轴向变形峰值减小,耐火极限增加;随着柱相对长细比的增大,柱轴向变形峰值增大,耐火极限减小;低轴向约束刚度比条件下,PEC柱耐火极限随着偏心率的增大而增大;高轴向约束刚度比条件下,PEC柱耐火极限随着偏心率的增大而减小。     

基于子结构模型的约束PEC柱抗火性能

利用有限元软件ABAQUS建立了包含部分梁、柱的约束PEC柱子结构温度场和力学分析模型,应用约束PEC柱的抗火试验数据验证了模型的合理性.对轴力作用下子结构在火灾下的受力性能进行了参数分析,分析了轴力比、轴向约束刚度、约束梁跨度、柱长度以及材料强度对子结构轴向位移和轴力的影响规律.结果表明:随着轴力比的增加,柱轴向变形峰值和轴力变化系数峰值减小;随着轴向约束的增加,柱轴力变化系数峰值增大,轴向位移峰值减小,高温压缩阶段的轴向位移趋于平缓;随着柱长度的增加,轴向位移峰值和轴力变化系数峰值略有增加;约束梁跨度、型钢屈服强度和混凝土抗压强度对柱轴向位移和轴力变化系数影响很小.     

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。     

轴向约束PEC柱-组合梁节点抗火性能研究

建立轴向约束PEC柱-组合梁节点(绕强轴)有限元模型,分布其火灾下的温度场分布及力学性能,研究柱上火灾荷载比、梁上火灾荷载比、轴向约束刚度、梁柱线刚度比对节点抗火性能的影响。结果表明,下部受火条件下,节点区温度由上到下、由外到内呈递减趋势,梁截面温度从混凝土板顶到钢梁下翼缘呈减小趋势;破坏时节点整体变形呈"飞机型",梁端下翼缘出现局部屈曲;随梁上火灾荷载比、梁柱线刚度比的增加,节点转角陡增对应时间缩短;柱上火灾荷载比、轴向约束刚度对节点转角的影响不显著。     

约束混凝土梁的升降温全过程轴力分析

利用SAFIR程序开展了约束混凝土梁的升降温全过程轴力分析,考察了轴向约束刚度比、截面宽度、全截面配筋率、升温时间等参数对ISO 834标准升降温作用下约束混凝土梁的轴力影响规律,并与单调升温时的相应规律进行了对比;通过对288种工况的计算分析,给出了该类构件轴力比的实用计算方法。研究结果表明:对于轴向和转动约束梁,无论是单调升温还是先升温后降温,轴力比总体都呈现出先逐渐增大而后平缓变化,然后以较大速率降低的趋势,主要区别在于先升温后降温时平缓段的持续时间比单调升温时更长;对于先升温后降温的轴向和转动约束梁,转动约束刚度比、截面高度、梁跨度和荷载比对轴力比影响很小,而轴向约束刚度比和全截面配筋率越大或截面宽度越小,轴力比峰值就越大;考虑到实际工程情况,可近似忽略混凝土保护层厚度变化对轴向和转动约束梁轴力比的影响。     

两端不等约束的方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能分析

为研究两端不等约束的钢管约束钢筋混凝土柱的抗火性能,提出相应的抗火设计方法,开展了两端不等约束方钢管约束钢筋混凝土柱的抗火性能有限元分析,分析轴向约束刚度比、转动约束刚度比、截面边长、荷载比和长细比等参数对柱在火灾下的变形、轴力、弯矩、计算长度和耐火极限等的影响。结果表明：随着柱上下任一端转动约束刚度的增大,柱破坏时的计算长度减小,耐火极限增长;当柱两端转动约束刚度比在0～0.5之间时,增大转动约束刚度比对耐火极限提高的有利作用尤为明显。基于参数分析结果,提出了不同升温时刻和两端不等约束刚度下钢管约束钢筋混凝土柱计算长度系数和柱中轴力的简化计算公式,进而建立了与两端铰接柱和两端等约束柱抗火设计公式表达形式相同的两端不等约束柱的抗火设计方法,该方法可精确地计算两端不等约束的方钢管约束钢筋混凝土柱破坏时的轴力和计算长度以及耐火极限,可以用于无侧移平面框架中轴向约束和不等转动约束耦合作用下方钢管约束钢筋混凝土柱的抗火性能设计。     

型钢混凝土约束柱耐火性能研究

基于ABAQUS有限元软件,选取合理的材料本构模型,建立温度和荷载耦合作用下型钢混凝土约束柱有限元模型,有限元模型的计算值与已有试验结果吻合较好。利用上述模型考虑荷载比和荷载偏心率的影响,对不同轴向约束和转动约束作用下的型钢混凝土约束柱的耐火性能进行系统的参数分析。结果表明:轴向约束相当于竖向约束弹簧,在一定程度上分担柱顶竖向荷载,有利于提高柱的耐火极限;转动约束相当于转动约束弹簧,在一定程度上减小弯矩沿柱长的分布值,同时也阻止柱半高处的侧向变形;轴向约束作用或轴向约束和转动约束共同作用下,荷载比相同且小于或等于0.6时,柱的耐火极限随偏心率的增大而增大,偏心率相同时,柱的耐火极限随荷载比的增大而减小。     

火灾下轴心受压H型截面约束钢柱整体稳定设计

利用验证的有限元模型分析了轴向约束刚度比、轴力荷载比和钢柱长细比对火灾下轴心受压H形截面约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响,给出了其屈曲温度和破坏温度的计算方法。轴向约束刚度比对约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响可用指数函数表示,轴力荷载比和钢柱长细比对约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响可用多项式表示。采用有限元方法对计算公式进行了验证,设计公式计算结果与有限元分析结果吻合较好,且设计公式给出偏于安全的结果。     

限制热伸长的部分包裹钢柱的耐火性能

一些学者对火灾下部分包裹型钢组合柱性能进行了数值研究,但试验研究还比较缺乏,许多方面仍尚待研究。火灾下轴向和转动约束对这类柱性能的影响仍在研究中。介绍了限制热伸长时这类柱的一系列耐火试验结果。为进行耐火试验而专门设计了一种试验装置,使柱的轴向和转动约束与实际情况相近。研究参数为:荷载水平、轴向和转动约束率及柱长细比。结果表明:低荷载水平下,围护结构的刚度对火灾中柱子性能的影响很大。临界时间随围护结构刚度的增大而减小;高荷载水平下则不存在这种情况。     

Behaviour and design of restrained steel column in fire: Part 2. Parameter study

This paper investigates behaviours of the restrained steel column in fire. For the restrained steel column under axial load only, investigated parameters include the axial load, the axial restraint stiffness, and the column slenderness; for the restrained steel column under combined axial load and bending moment, studied parameters included the axial load, the bending moment load, the axial restraint stiffness, the column slenderness and the end moment ratio.The results of parametric studies show that (1) the axial restraint causes a reduction in the failure temperature of the restrained column. The reduction increases with the increase in the axial restraint stiffness. However, when the axial restraint stiffness ratio is greater than a certain value, no further reduction occurs; (2) the difference between failure and buckling temperatures of a restrained column is great for columns with great axial restraint stiffness or great slenderness or small load ratio. This means that in this situation, the fire resistance of the restrained column can be increased from the column buckling temperature by considering the post-buckling behaviour; (3) an increase in the column axial load ratio or bending moment ratio causes both the column buckling and failure temperatures to decrease; (4) with an increase in the column end moment ratio, the failure temperature of restrained column decreases. The results of parametric studies will form the basis of a simplified calculation method to be presented in the companion paper.     

A new design method for calculating critical temperatures of restrained steel column in fire

This paper presents a new simplified design method for calculating the buckling- and failure-temperature of uniformly heated, axially restrained steel column subjected to axial compression load or combined axial compression force and bending moment in fire. Here the term “buckling temperature” refers to the temperature at which the restrained column loses temporary stability due to increased axial compression load, while “failure temperature” refers to the temperature at which the axial load in column returns to the initial level. For a restrained column under axial load, this paper presents effects of three different column design parameters, including the axial restraint stiffness, the initial axial load and the column slenderness, on the column buckling- and failure-temperature using a calibrated finite element method model. Two additional parameters are analyzed, including the bending moment ratio and the end moment ratio, for a restrained column under combined axial force and bending moment. To derive design calculation equations, regression analyses were carried out to express the reduction in column buckling- and failure-temperature, from that of the column without axial restraint, as functions of the aforementioned column design parameters. The accuracy of these design equations are then assessed by comparison between their predictions and finite element predictions.     

负载下焊接加固钢结构压弯构件受力性能的影响因素分析

为研究负载下焊接加固钢结构压弯构件的受力性能,采用考虑焊接热影响的有限元分析方法,对不同初始负载、偏心距、长细比及焊接热输入等级等影响因素进行分析。完成了包括未加固压弯钢柱及加固压弯钢柱共72个构件的受力全过程模拟分析,获得了各因素影响规律,并验证了考虑二阶效应的新的名义应力比计算公式。结果表明:未加固构件的初始负载水平可通过二阶式反映;初始几何缺陷模式及大小影响失稳破坏方向及焊接残余变形大小;影响加固构件极限承载力的主要因素依次为偏心距、长细比、焊接热输入、初始应力比;影响焊接残余变形的主要因素依次为焊接热输入、初始应力比、长细比;为新编《钢结构加固设计规范》关于负载下焊接加固压弯构件设计计算方法提供了参考和依据。     

轻钢桁架柱轴压性能试验研究

通过10根轻钢桁架柱的轴压试验,研究了不同长细比和扣板间距等参数对轻钢桁架柱轴压承载受力性能的影响。结果表明:在轴向压力作用下,轻钢桁架柱主要发生弯曲屈曲破坏,且在没有任何侧向约束条件下双管柱不适于承受竖向荷载;轻钢桁架柱的承载力随着长细比的增加而显著下降;扣板间距对轻钢桁架柱的承载力影响不大,但要符合分肢长细比的要求;轻钢桁架柱可视为缀板式格构柱,双管柱按照实腹式轴心压杆的方法计算承载力,四管柱采用换算长细比的方法计算其绕虚轴弯曲屈曲破坏的极限承载力。     

四肢钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究

进行共计22根四肢钢管混凝土格构柱的极限承载力试验,试验参数为长细比和偏心率。介绍试验过程和试件的破坏形态,对试件的荷载-挠度曲线、极限承载力及组成构件的受力等进行了分析。试验结果表明,格构柱的柱肢以受压为主,缀管受力较小且处于弹性阶段。近载侧柱肢在试件进入非线性后紧箍效应开始发生作用且不断增大。格构柱破坏时有较明显的面内弯曲,属整体破坏。随着长细比和偏心率的增大,构件整体侧向挠度增大、极限承载力降低。长细比和偏心率对极限承载力的影响基本上是独立的,格构柱总体承载力的折减系数可采用分离的偏心率折减系数和长细比折减系数相乘来计算。研究结果表明,偏心率折减系数可采用与单圆管钢管混凝土偏压柱相似的公式计算;长细比折减系数计算中,换算长细比可应采用简化的放大系数法。     

方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件试验研究

以长细比、空心率和轴压比为主要变化参数,进行了5个方中空夹层钢管混凝土和2个方实心钢管混凝土压弯扭构件的试验研究。采用有限元软件ABAQUS对压弯扭试件的扭矩-转角全过程关系进行计算,计算得到的扭矩-转角关系曲线在达到承载力之前与试验结果符合较好。通过典型算例进行计算,从钢管与混凝土各自承担的荷载、轴压比和空心率对扭矩-转角关系曲线的影响三个方面对方中空夹层钢管混凝土压弯扭的工作机理进行了分析。研究结果表明：随着轴压比（n≥0.2）的增大,试件抗扭强度承载力越小;偏心率较小时,空心率越大抗扭承载力越大,延性越好。 关键词：     

考虑轴压比影响时框架侧移计算的试验及理论研究

为研究轴压比对框架柱侧移的影响,以轴压比为框架柱的主要变化参数,完成了10根钢筋混凝土柱与5根钢柱压弯试验。试验结果表明:随轴压比增加,框架柱抗侧刚度增加,侧移减小;对于混凝土柱,裂缝间距和宽度都增大,裂缝越集中于柱底,压区混凝土破坏越严重,延性越差;对于钢柱,则压区屈曲越严重。随着名义偏心距的增大,二阶效应加剧,轴力对框架柱抗侧刚度的提高有所减弱;轴力对钢柱抗侧刚度的有利影响不及混凝土柱明显。结合试验数据,拟合了考虑轴压比影响的柱抗侧刚度计算公式。根据此公式计算内力侧移的框架算例表明,考虑轴压比影响时,框架结构侧移明显减小;轴力从上至下逐渐增大,轴压比对框架结构的影响愈大,结构侧移减小愈明显。考虑轴压比对框架柱抗侧刚度的影响,符合工程实际,能为现行规范对高层框架侧移计算的完善提供参考。