耐火钢-混凝土组合梁抗火性能非线性有限元分析

目前国内外学者对钢-混凝土组合梁抗火性能的研究均基于普通钢材。选用合理的材料热工性能参数、高温力学性能参数和热-力耦合本构关系,运用有限元软件ABAQUS建立计算模型,分别与耐火钢梁、钢筋混凝土梁以及钢-混凝土组合梁的抗火性能试验结果进行对比,验证所选参数和分析方法的合理性和有效性。在此基础上,比较同等条件下耐火钢与普通钢-混凝土组合梁的抗火性能,发现耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能和耐火极限提高显著,因此可以减小防火涂料厚度,降低防火涂料用量。     

冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁抗火性能参数分析

基于ANSYS热分析结果,建立冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁在标准火灾作用下的热-结构耦合有限元计算模型,对荷载水平、混凝土强度、槽钢截面几何尺寸、防火涂层厚度、加载位置和加载方式等不同影响因素下的组合梁抗火性能进行有限元分析。结果表明：防火涂层厚度和荷载水平对组合梁抗火性能的影响显著,槽钢截面腹板高度和腹板厚度次之,混凝土强度、加载位置、加载方式和槽钢翼缘厚度等因素对组合梁的抗火性能影响很小,可以忽略不计;防火涂层厚度一定时,组合梁的耐火极限随荷载水平的提高而降低;荷载水平一定时,组合梁的耐火极限随防火涂层厚度的增加而呈非线性提高;填充混凝土可有效降低钢梁截面的温度,产生温升延时效应,在升温前期,冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁的温度低于未填充混凝土的型钢梁,降幅可达15％~60％。在ISO-834标准火灾作用下,组合梁跨中挠度 δ=l/25 可作为其达到耐火极限的判别标准。     

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。     

钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法(Ⅰ)

确定了高温下组成钢骨混凝土的钢材和混凝土的热工参数和力-热本构关系模型,利用有限元法计算了钢骨混凝土柱截面温度场,计算结果得到实验结果的验证。利用数值方法对钢骨混凝土柱耐火极限及火灾下荷载-变形关系曲线进行了计算分析,理论计算结果和实验结果吻合良好。在此基础上,分析了截面尺寸、构件长细比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、钢骨和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对耐火极限以及火灾下构件承载力的影响规律。最后,提出了钢骨混凝土柱耐火极限的实用计算公式。本文是第一部分。     

新型闭口压型钢板组合楼板抗火性能影响因素研究

建筑工程中新型闭口压型钢板组合楼板使用逐渐增加,采用耐火钢的组合楼板具有更优良的抗火性能。利用ABAQUS建立了闭口压型钢板组合楼板的非线性抗火计算模型,通过与已有试验结果对比验证了其抗火分析计算的准确性和有效性,在此基础上对闭口压型钢板组合楼板的抗火性能进行参数分析,考虑了混凝土及钢材材料强度、楼板及压型钢板厚度、钢材耐火性、楼面荷载等因素的影响。分析计算表明,采用闭口压型钢板的组合楼板可显著提高其耐火时间,采用耐火钢材后耐火时间可进一步提高10%左右;提出了适用于闭口压型钢板组合楼板的温度场计算公式和抗火性能计算方法,以及采用耐火钢材后的耐火时间修正公式。     

钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法(II)

确定了高温下组成钢骨混凝土的钢材和混凝土的热工参数和力-热本构关系模型,利用有限元法计算了钢骨混凝土柱截面温度场,计算结果得到实验结果的验证。利用数值方法对钢骨混凝土柱耐火极限及火灾下荷载-变形关系曲线进行了计算分析,理论计算结果和实验结果吻合良好。在此基础上,分析了截面尺寸、构件长细比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、钢骨和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对耐火极限以及火灾下构件承载力的影响规律。最后,提出了钢骨混凝土柱耐火极限的实用计算公式。本文是第二部分。     

固支组合梁抗火设计简化方法

根据现行《建筑钢结构防火技术规范》中固支组合梁抗火承载力验算方法,提出了固支组合梁抗火设计的临界温度法,并给出了临界温度的计算方法,对影响固支组合梁临界温度的参数进行了分析。研究发现:确定荷载比下固支组合梁的钢梁截面、材料强度、有效宽度等对临界温度的影响较小,而耐火极限和楼板厚度对固支组合梁临界温度影响较大。给出了一般固支组合梁不同楼板厚度、不同耐火极限下,不同荷载比对应的临界温度和防火保护厚度的计算方法,可供工程设计使用。     

钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法（Ⅱ）

确定了高温下组成钢骨混凝土的钢材和混凝土的热工参数和力-热本构关系模型，利用有限元法计算了钢骨混凝土柱截面温度场，计算结果得到实验结果的验证。利用数值方法对钢骨混凝土柱耐火极限及火灾下荷载-变形关系曲线进行了计算分析，理论计算结果和实验结果吻合良好。在此基础上，分析了截面尺寸、构件长细比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、钢骨和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对耐火极限以及火灾下构件承载力的影响规律。最后，提出了钢骨混凝土柱耐火极限的实用计算公式。本文是第二部分。     

波纹钢腹板-混凝土组合梁抗火性能研究

为了研究波纹钢腹板-混凝土组合梁的抗火性能,建立了波纹钢腹板-混凝土组合梁载火灾高温下的ABAQUS有限元分析模型,并验证了模型的准确性,分析讨论了荷载比、截面尺寸、钢筋直径、波纹钢板厚度和受火面数对波纹钢腹板-混凝土组合梁耐火极限的影响。研究表明：荷载比是影响组合梁抗火性能的主要因素,荷载比越大,组合梁的耐火极限越小;截面尺寸对组合梁的影响显著,随着截面尺寸的增大,组合梁的耐火极限增大,抗火性能越好;随着钢筋配筋率增大,组合梁的耐火极限显著增加。     

钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下抗剪性能的试验研究

通过3根钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下的试验,研究了其变形发展及破坏过程,得到了组合梁的跨中剪力-挠度曲线、交界面滑移曲线和沿截面高度分布的应变变化曲线,分析了剪切连接程度、截面尺寸、剪跨比、材料强度、钢筋配置等因素对组合梁承载力和延性的影响。对钢梁进行了塑性分析,得出在负弯矩作用下钢-混凝土组合梁抗剪承载力的提高不是由于钢梁腹板的硬化效应所致,而是由于混凝土翼板的贡献,并提出了考虑混凝土翼板影响的组合梁在负弯矩作用下抗剪承载力计算公式。将计算结果与实测结果进行了比较,二者吻合良好。     

腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁正弯矩区受弯性能研究

传统钢-混凝土组合梁需要焊接不同形式的抗剪连接件,为避免繁琐的焊接工序及焊接对钢材产生的不良影响,提出了腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁。在冷弯成型的U形钢腹板上部开槽,并嵌入到混凝土翼板,与板底横向钢筋共同组成带有混凝土榫连接件的腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁(WUCSB)。设计了8个WUSCB的正弯矩区受弯性能试验,考虑U形钢板厚度、连接件间距、混凝土翼缘板宽等参数的影响,分析组合梁的破坏模式,并基于荷载-挠度曲线和荷载-滑移曲线等试验结果对其刚度、承载力和延性等受力性能指标进行评价;建立了有限元模型,进行U形钢板厚度、混凝土翼缘板宽和梁底纵筋直径等3个参数的影响规律分析。试验结果表明：该组合梁满足完全抗剪连接,组合作用良好,U形钢可以达到全截面塑性,具有良好的整体受弯性能;增加U形钢板厚度和梁底纵筋直径可以提高组合梁的承载力;连接件间距、栓钉及箍筋对组合梁的承载力影响较小。基于试验结果和连接件的传力机理,给出了WUSCB抗剪连接度的计算方法;基于全截面塑性假定,给出了WUSCB受弯承载力设计方法,该承载力设计方法具有一定的安全储备。基于换算截面法,给出了受弯刚度计算方法,出...     

端部约束型腹板开孔预应力波纹钢-混凝土组合梁抗火性能

为研究腹板开孔对端部约束预应力波纹钢-混凝土组合梁抗火性能的影响,采用有限元软件ABAQUS对该类组合梁在高温作用下的力学性能进行了非线性有限元分析,研究了具有端部约束预应力波纹腹板开孔组合梁的内力、跨中挠度演化过程以及破坏模式,并对其耐火性能进行了参数分析。结果表明：受约束预应力波纹腹板开孔组合梁在高温作用下的破坏模式为开孔截面腹板与端部截面波纹腹板及钢梁下翼缘发生局部屈曲;随着温度的升高,组合梁由压弯发展至拉弯的悬链线阶段;在荷载比相同、孔洞均位于剪弯区的条件下,开孔尺寸越大、开孔位置越靠近支座的组合梁进入悬链线阶段的温度越低,相同温度下组合梁挠度越大,抗火性能越差;位于纯弯区的孔洞基本不影响端部约束预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁的高温力学性能。     

钢—混凝土组合梁的等效截面

基于材料的弹塑性本构关系,提出了以保证截面抗弯刚度相等为原则的截面换算方法,将钢—混凝土组合梁等效成工字型钢梁。采用结构计算软件ETABS研究等效后钢梁的静力特性,并与GB 50017-2003《钢结构设计规范》给出的将截面上翼缘宽度按照材料模量比等效的截面换算方法进行了比较,发现在均布荷载和集中荷载作用下,用本文提供的换算方法等效出的钢梁截面,较之钢结构规范,能够更为精确地模拟组合梁的真实静力特性。因此,用这种方法等效后的组合梁截面,能够更为有效地用于组合框架和新型结构体系的研究分析。     

可拆卸钢-混凝土组合梁抗剪连接件的受力性能研究

为了促进全生命周期可拆卸钢结构和钢-混凝土组合结构的发展,完善相关受力性能评价方法和结构设计方法,针对新型可拆卸钢-混凝土组合梁抗剪连接件的受力机理和力学性能进行了试验研究。试件设计考虑不同的连接件(螺栓)直径(M20、M24)和材料强度(C50、C60混凝土),通过标准推出试验,分析了破坏模式、荷载-滑移响应、滑移和峰值荷载以及可拆卸性能等。通过将试验结果与中国、欧洲以及美国相关规范中针对组合梁栓钉抗剪连接件和螺栓紧固件抗剪承载力的计算方法进行对比分析,提出了该类新型抗剪连接件的摩擦型抗剪承载力和承压型抗剪承载力计算方法;基于受力机理分析,提出了该类可拆卸组合梁抗剪连接件的力学本构模型,并给出各个参数的确定方法。结果表明,提出的特征承载力和抗剪-滑移本构模型能够很好地描述该类抗剪连接件的力学性能,为在可拆卸钢-混凝土组合梁中的应用提供了理论和技术基础。     

腹板嵌入式组合梁局部受压试验研究

基于传统钢-混凝土组合梁提出了一种节省钢材且具有较高抗剪承载力的新型组合梁——腹板嵌入式钢-混凝土组合梁,由倒T形钢梁腹板上部开槽,嵌入到混凝土翼板中形成。通过4个局部受压试件的试验得出,腹板嵌入式组合梁局部受压承载力随混凝土强度等级和局部荷载作用下扩散应力分布面积的增加而提高。综合各影响因素推导出了腹板嵌入式组合梁中连接件的局部受压承载力计算公式,并提出进行局部受压设计时对横向配筋率和应力扩散深度的构造要求。通过理论计算值与试验结果的对比,验证了公式的适用性。     

影响组合梁抗火性能的两个因素分析

目前火灾下钢—混凝土组合梁承载力计算一般是没有考虑压型钢板型号、边界条件等因素对组合梁抗火承载力的影响[1],本文采用有限元方法针对不同压型钢板型号、不同边界条件下的组合梁采用有限元模型进行抗火性能分析,得出了一些对组合梁抗火计算与设计有益的结果。     

火灾下防火装饰一体化钢梁抗火性能研究

为研究采用防火装饰一体化构造的钢梁在火灾下的温度场和承载力,通过基于ANSYS 软件建立的分析模型对不同截面尺寸和不同耐火极限的钢梁进行抗火性能研究,并给出了计算钢梁承载力的简化公式,公式计算结果与有限元结果吻合情况较好。     

预制装配式栓钉连接件钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究

为适应装配式钢-混凝土组合梁的发展需求,研究了一种将带预制圆孔的混凝土板与焊接栓钉的钢梁安装定位后在预制孔内后填充高强填料以固定栓钉连接件的预制装配式钢-混凝土组合梁.通过梁式试验获得了该装配式组合梁的极限承载力、荷载-挠度关系、界面荷载-滑移关系以及截面的应变分布规律,并与普通现浇钢-混凝土组合梁的抗弯力学性能进行对比分析.试验结果表明:所有试验组合梁均发生弯曲破坏,装配式组合梁的抗弯承载能力稍好于现浇组合梁的抗弯承载能力.采用我国现行《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)的组合梁塑性设计方法可偏于安全地预测该装配式组合梁的抗弯承载力,该组合梁预制装配方法可供工程实践参考.     

蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显蠕变变形,影响火灾中结构的变形和受力性能。现有的蠕变模型较多,但没有一个广泛适用的蠕变模型。不同的蠕变模型对钢结构抗火分析结果有很大影响。为了量化蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响,对5种常用的蠕变模型进行了对比分析。采用编写的约束钢梁计算程序,分别计算5种蠕变模型下约束钢梁的抗火性能并与试验数据进行对比。结果表明,采用Norton蠕变模型的计算结果与试验数据吻合最好。最后对影响约束钢梁抗火性能参数进行了研究,研究发现,Harmathy蠕变模型对约束梁抗火性能分析结果影响最大;不同蠕变模型对不同荷载比、约束刚度下的约束钢梁抗火性能影响程度均不同。     

钢-混凝土组合梁收缩徐变分析方法

钢-混凝土组合梁通过剪力连接件将钢梁和混凝土板连接在一起共同工作,其中钢材主要受拉应力,混凝土主要受压应力,能发挥两种材料各自的性能优势。对于钢-混凝土组合梁,混凝土板的收缩徐变导致结构的内力重分布。文中基于平截面假定推导出杆系单元下的组合梁混凝土收缩徐变效应的有限元分步计算公式;同时采用通用有限元软件ANSYS建立某试验梁的有限元模型,对试验梁进行收缩徐变效应计算,将ANSYS有限元计算结果与分步计算公式结果和实测数据对比分析。