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.     

单层单跨钢框架抗火性能的试验研究

本文对2榀H型钢单层单跨钢框架进行抗火性能的试验研究。试验采用足尺试件,钢梁长3400mm,钢柱高3200mm,混凝土板宽1000mm。试验中考虑不同受火工况对钢框架抗火性能的影响。通过试验得出了梁、板、柱温度场变化规律和钢框架变形情况。试验结果表明:火灾下,由于钢筋混凝土板的存在,钢梁沿截面高度各点温度不一致,即钢梁沿截面高度存在温度变化的温度场;梁柱全部受火的单层单跨钢框架(节点受到保护)破坏方式为钢柱压屈破坏,破坏位置在受到保护的钢节点下部的钢柱上。本文研究结果为今后钢结构抗火性能的进一步研究提供参考数据。     

钢框架边跨梁抗火性能试验研究和理论分析

对3层钢框架结构边跨梁在火灾作用下的性能进行足尺试验研究,试验中测量了炉温、钢梁和混凝土板沿截面高度的温度场分布以及钢梁和混凝土板的竖向位移。结果表明：钢梁下翼缘、腹板和烟气的温度基本一致;混凝土板内的温度滞后于钢梁温度,且在钢梁降温阶段,混凝土板温度持续升高,因此混凝土板限制了钢梁升温阶段的膨胀和降温阶段的收缩;钢梁在122 min的升温过程中变形较小,且在升温阶段变形就开始恢复,最终出现向上的竖向位移,这是框架结构中钢梁火灾行为区别于单个构件火灾行为的特点之一,表明框架结构中与混凝土楼板形成整体的边跨梁具有较强的抗火性能;最后钢梁上下翼缘焊缝被拉裂破坏,因此在工程应用中应尽量避免工地现场施焊的全焊接节点。利用非线性有限元软件对试验梁进行了火灾反应分析,得出了试验梁的温度场分布和位移反应的变化规律。有限元分析结果和试验结果基本一致,验证了有限元分析模型的正确性和可行性。     

方钢管混凝土柱-钢梁T形件连接节点耐火性能数值分析

为研究方钢管混凝土柱-钢梁T形件连接节点的耐火性能,通过验证已有试验,在模型可靠的基础上,建立了节点在钢梁下翼缘以下区域受火及钢梁上翼缘以上区域受火两种工况下耐火极限有限元计算模型.分析了在两种受火工况下柱端火灾荷载比、梁端火灾荷载比、梁柱线刚度比对节点耐火极限、破坏模态的影响.结果 表明:当节点钢梁下翼缘以下区域受火...     

火灾下钢筋混凝土框架结构高温力学性能数值模拟研究

建立一个单层双跨钢筋混凝土框架模型,基于钢筋和混凝土材料的热工性能和高温力学性能,运用ABAQUS 有限元软件对框架结构进行单室和多室火灾模拟,研究不同火灾工况下,梁、柱构件及整体结构的温度场分布、变形特征和内力变化规律。结果表明：框架结构在单跨受火及双跨受火两种不同受火情况下,双跨受火梁及边柱的温度场与单跨受火时相同,而中柱及节点核心区的温度分布存在差异;节点核心区温度较周围的梁段和柱段明显偏低;受火方式及框架柱的轴压比对框架结构高温力学反应存在显著影响。     

高温下组合钢框架应力响应非线性分析

火灾高温对结构钢的材料性能有显著的影响,尤其是对钢结构材料的力学性能影响更加明显,因此而导致结构整体承载能力的显著变化。利用有限元软件ANSYS建立一榀两层两跨钢-混凝土组合梁和钢柱构成的组合钢框架有限元模型,对其在火灾高温下的温度分布和应力响应进行分析。结果表明,受火梁、柱截面温度非均匀分布,非线性变化;梁柱节点是组合钢框架的薄弱环节;受火组合梁内全过程为压应力,未达到屈服应力。     

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。     

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。     

型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析

在实际工程中,特别是在高层和超高层结构中,型钢混凝土柱截面尺寸往往相对于钢筋混凝土梁要大得多,有时柱中型钢翼缘甚至比混凝土梁要宽得多,这就无法满足钢翼缘不开孔的要求。本文以实际工程中存在的混凝土梁—型钢混凝土柱的节点为研究对象,推导了型钢混凝土柱的缺损率公式,同时研究钢柱翼缘开孔大小、孔间距、孔边距等参数对型钢混凝土柱中的钢柱翼缘应力分布的影响,最后,对工程中常用的开孔翼缘补强方法进行分析,得出了补强板的最优板厚。     

钢筋混凝土柱-钢梁组合框架节点受力性能研究

钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)组合框架将钢筋混凝土柱钢梁组合起来提供了优于传统的钢框架和混凝土框架多个优点,本文采用ABAQUS有限元软件建立钢筋混凝土柱-钢梁组合节点构件的有限元模型,分析了不同构造(面承板、扁钢箍、小钢柱等)情况下的力学性能.     

Fire response of exterior reinforced concrete beam-column subassemblages

Investigating the structural response of reinforced concrete beam-column sub-assemblies at elevated temperatures is the purpose of this paper. This goal was achieved by conducting the ISO-834 standard fire test on two identical one-third scaled reinforced concrete beam-column subassemblage test specimens. The test specimens, which each consisted of one reinforced concrete cantilever beam anchored at the mid-height of a reinforced concrete column, were installed together in a full scale furnace and subjected to downward and upward service loads, respectively. The fire compartment fully engulfed the cantilever beams (except the beams’ top face and the loading points), the beam-column connections and the lower columns. The fire test terminated after 74 min as soon as the tensile longitudinal steel bars of the upward-loaded cantilever beam attained the predefined critical temperature 530 °C. The lower columns exhibited partial concrete spalling and typical diagonal cracks appeared at the beam-column connections. Based on the recorded internal temperature distributions at the joint cores it was found that the material strength loss in the fire had insignificant impact on the load bearing mechanism of the joints. On the other hand, the gradual decrease in rotation capacity of the beam ends during the fire course considerably influenced the load-deflection relationship. A detailed numerical work has been carried out to simulate the response of the test specimens and will be published elsewhere.     

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。     

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。     

组合效应对钢节点抗震性能的影响因素分析

钢—混凝土组合梁当前在钢框架结构中已经得到了广泛的应用,但是地震荷载作用下组合节点的设计方法却一直在完善和发展.基于组合节点的数值分析,着重研究钢框架梁柱节点的抗震性能,进行了有限元分析、模型参数分析,研究了不同变量条件下节点抗震性能与梁强度的平衡关系,并针对混凝土板中的配筋率、混凝土板板厚、钢节点类型等因素进行了分析和讨论.分析结果表明,在进行钢框架梁柱节点的抗震设计时,应该考虑混凝土板的组合效应.     

Seismic behavior of steel beam and reinforced concrete column connections

This paper aims to investigate the seismic behavior of steel beam to reinforced concrete column connections with or without the floor slab, acting as a proof test for a three-story-three-bay reinforced concrete column and steel beam (RCS) in-plane frame tested at the National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE), Taiwan, by the Taiwan-USA international research cooperation group. In total, six cruciform RCS joint sub-assemblages were constructed and tested. Parameters considered included composite effects of the slab and beam, the tie configuration in the panel zone, effects of the cross-beam, and the loading protocol. Force-deformation behavior was also simulated by a nonlinear analysis program, DRAIN-2DX, with consideration of composite effects of the beam and slab as well as shear distortion in the panel zone. Test results showed that all specimens performed in a ductile manner with plastic hinges formed in the beam ends near the column face. It was found that the ultimate strength of the composite beam was increased by 27% on average, compared with that of the steel beam without the slab.     

火灾下钢管混凝土梁柱节点性能研究若干问题探讨

随着钢管混凝土在土木工程中的不断推广应用,其构件、节点乃至结构体系耐火性能的研究以及耐火极限的确定已引起人们的广泛关注。简述了钢结构梁柱节点火灾下力学性能的研究现状,在此基础上探讨了钢管混凝土梁柱节点抗火性能研究中需要关注的若干关键问题。     

楼板对钢筋混凝土柱-钢梁空间组合体抗震性能影响研究

楼板在地震作用下对钢筋混凝土柱-钢梁组合体抗震性能的影响是建立地震作用下节点计算模型的基础,也是准确评价组合结构体系抗震性能的关键问题之一。为此,完成了3个钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合体试件在考虑不同楼板宽度情况下的抗震性能试验,分析整个受力过程中楼板受力性态对组合构件受力特征、破坏模式等抗震性能的影响。各试验模型在加载过程中均产生梁铰破坏,并表现出较好的延性和耗能能力,最终因节点区钢梁屈曲、扁钢箍开裂和柱端混凝土压碎而丧失承载力。分析表明,楼板裂缝以横向裂缝为主,随着楼板宽度增加,次生斜裂缝增多,板底混凝土压碎区域增大;混凝土楼板与钢梁组合体对节点核心区的约束作用较明显地改善了空间组合体受力性能。对楼板混凝土和板内纵筋在受力过程中的应变进行分析,结果表明,随着楼板宽度的增加,楼板对RCS空间组合体刚度、承载力的贡献值有限。对现浇板受拉有效翼缘宽度进行分析,结果表明考虑钢-混凝土组合梁翼缘有效宽度对梁端受弯承载力、惯性矩影响较大。     

型钢-钢管混凝土柱耐火性能试验研究

通过8个组合柱短试件的温度场测试和10个组合柱长试件的耐火性能试验,研究了ISO 834标准升温曲线下型钢-钢管混凝土柱的温度场分布和耐火极限。试验参数包括截面形状、受火方式、轴压比和配骨指标。试验结果表明：配置型钢后钢管混凝土柱截面内升温速率会略有提高,内置型钢对截面温度场分布影响不大,但是钢管混凝土柱的耐火极限会大幅度提高;以四面受火的方形截面试件的耐火极限为参照,三面受火时耐火极限变化不大,两面受火和单面受火时耐火极限大幅度提高,圆形截面试件1/2表面受火时耐火极限亦明显提高;轴压比从0.3增大到0.4时,试件耐火极限显著降低。经过合理的设计,无防火保护的型钢 钢管混凝土柱可以达到3 h的一级耐火极限要求。