高强中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能试验研究

针对应用高强钢与超高强混凝土的中空夹层钢管混凝土柱,开展了轴心受压柱的标准耐火试验,得到了不同截面形状、边界条件、涂料厚度、荷载比条件下该柱的耐火极限,提出了表征柱耐火性能的延性指标,探讨了高强柱与普通柱耐火性能的差异。试验结果表明：高强中空夹层钢管混凝土柱的受火时间-位移响应与普通柱相似,受火前期膨胀而后期压缩变形进一步增大达到耐火极限。参数分析表明：相同条件下,应用高强钢的中空夹层柱其耐火极限低于应用普通钢的中空夹层柱,而应用超高强混凝土的中空夹层柱其耐火极限则高于应用普通或高强混凝土的中空夹层柱。此外,该文分别基于欧洲规范4中轴心受压柱和压弯构件的常温承载力计算模型,运用材料高温力学参数,计算了该柱高温屈曲承载力与耐火极限,计算结果与试验结果吻合较好。     

高温下内配圆管的方钢管混凝土柱轴压力学性能

为了研究高温下内配圆管的方钢管混凝土柱力学性能,该文在修正高温下核心混凝土材料本构关系的基础上,建立钢管混凝土柱的非线性有限元模型,并利用相关试验实测数据对数值模型进行了验证。基于建立的有限元模型,对不同参数下外方内圆钢管混凝土柱的耐火性能进行分析,阐述了受火过程中圆钢管和混凝土轴向承载力的贡献变化规律,并对火灾下钢管混凝土柱的典型变形曲线进行分析。研究结果表明:钢管混凝土柱的耐火极限可比普通钢管混凝土提高2倍以上;随内钢管直径与外钢管边长比增大,耐火极限先增大后减小;圆钢管的约束效应系数增大,耐火极限明显提高。通过合理设计,复合钢管混凝土柱在不设置防火保护层的情况下,可满足抗火设计规范的耐火需求。     

钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能的参数研究

该文建立了局部火灾下钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能分析的有限元计算模型, 计算结果与实测结果吻合较好. 考虑火灾发生位置及蔓延范围、钢梁高度、钢梁加劲肋的设置、梁荷载大小、柱轴压比等参数变化, 对钢管混凝土框架结构的变形和内力重分布规律、破坏形态、破坏机理和耐火极限进行了详细的参数研究. 研究表明:火灾作用位置对框架耐火极限有影响, 梁荷载对框架耐火极限影响较大, 而轴压比对框架耐火极限影响 不大.     

相邻两面受火和三面受火混凝土矩形柱的耐火极限研究

利用高温下钢筋混凝土柱基于虚梁法的数值模拟程序RCSSCF,分析了轴压比、计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角等参数对ISO834标准升温过程下相邻两面受火和三面受火钢筋混凝土矩形柱耐火极限的影响规律.针对不同轴压比、计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角等情况,共进行了9792种工况下相邻两面受火矩形柱的高温反应分析、11520种工况下三面受火矩形柱的高温反应分析.在计算结果的基础上,定量给出了相邻两面受火和三面受火钢筋混凝土矩形柱耐火极限的实用计算方法.研究表明:a) 严格控制轴压比是提高矩形柱耐火极限的有效措施;b) 荷载角对相邻两面受火和三面受火矩形柱的耐火极限影响较大;c) 随着轴压比的增大,相邻两面受火和三面受火矩形柱耐火极限的差异减小.     

高温下端部受约束的混凝土异形柱抗火性能研究

为考察高温下异形柱与结构中相邻构件之间的相互作用对柱耐火性能的影响,建立了高温下端部受约束的混凝土异形柱数值分析模型。基于二维热分析矩形单元和三维梁单元编制了端部受约束的异形柱高温反应全过程分析程序。利用程序分析了轴向约束和转动约束对柱耐火性能的影响。结果表明:1)在升温过程中,轴向约束会产生较大的附加轴力。当轴向约束刚度较大时,附加轴力可达到常温时轴力的65%左右;2)转动约束可使柱耐火极限显著提高;3)无转动约束时,柱耐火极限随荷载偏心率的增大而减小;但有转动约束时,荷载偏心率对柱耐火极限的影响较小。     

钢管混凝土异形柱耐火性能试验及防火保护层厚度计算方法研究

为了研究钢管混凝土异形柱在偏心荷载作用下防火保护层厚度的计算方法,设计加工了6个多腔式钢管混凝土异形柱试件,研究参数包括截面形状和防火保护层厚度,防火保护层采用非膨胀型防火涂料。通过耐火性能试验研究了试件的破坏形态、温度场分布和耐火极限。结果表明：钢管混凝土异形柱各腔室受火面数量越多,混凝土中心温度越高;防火涂料厚度相同时,截面形状对试件耐火极限影响较小;当防火涂料厚度大于16 mm时,文中试件可达到一级耐火等级的要求。基于有限元软件ABAQUS分别建立了温度场和热力耦合分析模型,有限元结果和试验结果吻合良好。在不同防火涂料厚度下进行了参数分析,发现荷载比(n)和混凝土强度(f_ck)对有无防火涂料试件耐火极限的比值(t_e/t₀)影响较大,基于参数分析结果提出了钢管混凝土异形柱在偏心荷载作用下防火涂料厚度的设计方法。     

钢筋砼十字形柱的耐火极限研究

利用数值模拟程序RCSSCF分析了荷载比、柱计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角等参数对ISO834标准升温作用下钢筋砼等肢十字形柱耐火极限的影响规律。针对不同荷载比、柱计算长度、截面尺寸、荷载偏心率和配筋率共1080种工况进行了四周受火时钢筋砼等肢十字形柱的高温反应分析。在此基础上,定量给出了该类构件耐火极限的实用计算方法。研究表明:荷载角对十字形柱耐火极限影响较小;严格控制荷载比是提高十字形柱耐火极限的有效措施。     

局部火灾下钢筋混凝土平面框架结构的耐火性能研究

该文建立了局部火灾下钢筋混凝土平面框架结构耐火性能的有限元模型,在此基础上研究了火灾高温下框架结构的变形规律、结构的破坏机制、塑性铰分布规律、受火梁的内力和应力状态。该文分析了框架柱轴压比和火灾发生位置对平面框架结构耐火性能的影响规律,并初步探讨了平面框架结构整体的耐火极限和构件耐火极限之间的关系。     

外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱耐火性能研究

为研究外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能,采用ABAQUS对该类组合构件的耐火极限进行了有限元分析。对比分析了外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱与普通外包碳素钢中空夹层钢管混凝土柱受火机理的不同。研究了截面直径、空心率、荷载比和材料强度对构件耐火极限的影响。研究结果表明:外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱比外包碳素钢中空夹层钢管混凝土柱具有更好的耐火性能;该类构件的耐火极限受截面直径和荷载比的影响较大,空心率和材料强度对构件的耐火极限也有一定影响。在参数分析基础上给出了外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱的抗火设计建议。     

建筑用耐火钢中合金元素Mo与V的作用

建筑用耐火钢的使用不仅要求性能等同或优于常规建筑用钢而且还需要其在保证抗震性、焊接性和其它性能的同时增加高温时的强度。本文作者主要通过对比合金元素含量不同的建筑用耐火钢的力学性能和显微组织，研究了合金元素Mo与V对建筑用耐火钢高温屈服强度的影响。实验结果表明Mo、V的复合添加是提高耐火钢高温屈服强度的有效方法。     

标准火灾后钢管RPC柱抗近距离爆炸荷载的试验研究

利用野外抗爆试验场对4根大比例标准火灾后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete FilledSteel Tubular,简称钢管RPC）柱进行了抗近距离爆炸试验研究,探讨了恒定轴向力条件下比例距离和受火时间对柱动力响应和破坏形态的影响。结果表明:标准火灾下钢管仍可以有效约束RPC芯柱,限制了RPC的高温爆裂,表现出良好的抗火性能。爆炸作用下火灾后钢管RPC柱的相对位移均超过2.0%,均达到了其屈服状态。当比例距离由0.58 m/kg1/3减小到0.48 m/kg1/3时,钢管RPC柱出现由弯曲变形过渡到弯剪变形的趋势。随着受火时间增加,钢管RPC柱跨中出现明显的塑性变形,最大位移和残余位移均显著增大,发生典型的弯曲破坏。与比例距离相比,钢管RPC柱的抗爆能力对受火时间更为敏感。采用LS-DYNA软件对试验结果进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

软式平流层飞艇气弹模型相似参数分析

软式平流层飞艇具有较大的尺寸,基于风洞试验探讨其气弹响应特性时,需要缩比模型取代全尺寸模型。缩比模型的试验结果能否准确地预测原型结构的位移响应,与相似性设计直接相关。该文以设定的某软式平流层飞艇为原型对象,基于量纲分析法推导了模型的相似准则;建立软式平流层飞艇的有限元模型,对不同相似比对应的缩比模型进行了自振及风振响应分析,获得对应的振动频率与位移响应;统计确定了各相似准则对结构振动频率及位移响应的影响程度;对影响程度较大且无法满足相似条件的偏差进行了评估,且给出相应的补偿修正。结果表明:风速偏差的影响可以忽略;蒙皮面密度对位移响应的影响可以忽略;蒙皮张拉刚度及压差的相似偏差,对振动频率及位移响应都有较大的影响。     

轴心受压H形截面不锈钢柱抗火性能分析

基于国产奥氏体S30408不锈钢材料,针对轴心受压H形截面不锈钢柱,采用高温稳态分析和瞬态分析两种方法对其抗火性能开展了有限元数值模拟分析,揭示了不锈钢柱高温下受力性能与破坏模式。通过高温稳态分析,给出了不同温度下不锈钢柱的荷载-位移曲线及极限承载力-温度曲线;通过高温瞬态分析,研究了特定火灾升温模式下不锈钢柱表面温度的变化规律,给出了不同荷载比下不锈钢柱的临界温度;并将两种方法的计算结果与《欧洲规范》(EN1993-1-2)的计算结果进行对比分析。在此基础上,分别采用高温稳态分析和瞬态分析方法,对不锈钢柱的抗火性能开展了参数化分析,着重考察了构件初始缺陷、荷载比、截面尺寸以及长细比对高温下极限承载力和临界温度的影响。研究结果表明:构件的长细比和截面尺寸为轴心受压H形截面不锈钢柱高温极限承载力的主要影响因素,荷载比为不锈钢柱临界温度的关键因素,初始缺陷对不锈钢柱的抗火性能影响不明显。     

钢结构火灾反应相似模型及试验研究与分析

为采用缩尺模型研究火灾下整体钢结构的火灾反应,首先基于火场相似关系以及热传导分析理论推导了钢结构火灾反应相似关系模型,其次根据建立的火场与结构相似关系模型分别设计了1/4和1/8缩尺火场试验模型与钢框架结构试验模型,并对其进行了缩尺火灾试验研究,对比分析了空气温度、结构温度、结构变形与结构破坏规律。结果表明:烟气温度、结构温度、结构变形表明结构火灾反应相似模型具有较好的合理性和准确性,承载力与稳定性也满足相似模型;温度相似比为1以及相同的火场和结构时间相似比可以简化相似模型;缩尺模型试验需要严格控制火场维护结构的变形以及外界通风条件,才能保证结构在高温破坏阶段后的相似性。     

混凝土框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

连续倒塌是整体结构的力学行为,为了研究火灾作用下混凝土框架结构整体抗倒塌性能,建立了用于分析钢筋混凝土构件火灾反应的杆系纤维梁模型和板构件的分层壳模型。在构件层次,模型将各积分点的截面划分为若干纤维(层),纤维(层)被赋予不同的材料属性以考虑钢筋和混凝土的贡献,并通过平截面假定来定义构件变形和纤维(层)应变之间的协调关系;在材料层次,模型将温度-应力路径离散为若干加载步,然后在每个加载步内计算纤维(层)在温度和应力耦合作用下的各种应变分量。通过与一系列试验对比,说明了该模型在模拟混凝土梁、柱和楼板时的准确性和高效性。为了模拟整体结构倒塌过程中的不连续位移场,在模型中引入了构件破坏准则和单元生死技术,可以考虑构件破坏造成的内力重分布对整体结构力学响应的影响。最后,通过一个整体框架结构的火灾倒塌模拟,分析其连续倒塌过程和机理。     

高温下钢筋混凝土异形柱的数值分析方法

将钢筋混凝土异形柱沿高度划分为若干小段,假定每一小段内各截面的曲率线性变化,结合虚梁法和结构截面在力和温度作用下的非线性增量有限元分析方法,提出了钢筋混凝土异形柱高温下基于虚梁法的数值分析方法,同时建议了高温下每一增量步内混凝土和钢筋应力-应力应变点位置的确定方法。编制了相应的程序RCSSCF,程序考虑了轴力的二阶效应,程序的有效性得到试验结果的验证。研究表明:基于虚梁法的数值分析方法计算的耐火极限总体上略小于基于变形假定的数值分析方法计算的耐火极限。     

摇摆状态下古建筑木结构木柱受力性能分析及试验研究

在古建筑木结构中,木柱常常直接浮搁于础石上。在地震、风等反复荷载作用下,木柱会出现“摇摆”现象。木柱作为整体结构的主要承重部分,其在摇摆状态下受力性能对整体结构的稳定性和整体性有着重要的影响。为研究木柱在摇摆状态下的受力性能,该文首先提出摇摆运动机理,通过理论分析得到柱脚抬升判定条件;其次,参考《营造法式》制作了七等材木柱模型,通过低周反复荷载试验验证了柱脚抬升判定条件的正确性,研究了木柱的变形特征、柱头荷载位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧能力、刚度退化规律等特性。试验结果表明:在反复荷载作用下,木柱出现摇摆现象,柱脚与础石接触部位存在木材受压变形。当柱头位移达到10 mm时,柱脚出现一侧抬升一侧受压现象。加载过程中,柱脚未滑移;木柱荷载位移滞回曲线呈S形,具有一定的捏拢效应;木柱初始抗侧刚度最大,其抗侧能力随柱头位移增大而逐渐减弱;在柱头位移达到60 mm之前,刚度退化较明显,随后刚度退化现象减弱。     

船舶加筋板结构撞击试验的相似性分析

实尺寸船舶碰撞试验难以开展,一般通过缩尺试验获取结构的碰撞载荷响应,再由相似定律将其转化为实尺寸碰撞响应结果。但是,由于相似定律受诸多因素影响,因此需要深入开展相关研究。本研究开展了两种缩尺模型和实尺寸加筋板结构的低速撞击试验,获取了不同比例试验的撞击载荷响应,考虑板材参数(板厚、材料强度和应变率)和撞击参数(撞击体质量、撞击速度)对缩尺定律的影响,进行了撞击载荷响应的相似性分析。分析结果表明:低速撞击下,应变率和撞击参数对相似定律影响不大;材料板厚和材料强度影响缩尺定律,基于已有撞击力解析公式,对缩尺定律进行修正,可将缩尺模型试验结果转化为实尺寸试验结果。研究成果对实尺寸船体结构的耐撞性评估有一定指导作用。