圆钢管混凝土柱火灾升温试验及钢管温度计算方法

钢管混凝土柱充分利用了钢和混凝土各自的优点,具有良好的结构受力性能和经济性,且施工方便,广泛应用于工程建设。由于钢管内部的混凝土能吸收大量的热量,钢管混凝土柱的抗火性能优于纯钢柱;但若不对其进行防火保护,大部分情况下其耐火极限不能满足规范要求;若对其按纯钢柱进行抗火设计,又会造成很大的浪费。目前国内外对钢管混凝土柱的耐火性能及抗火设计已进行了大量的研究,提出了一些抗火设计方法,但这些方法在实际工程应用中比较复杂,简便性有待提高。构件在火灾下的截面温度分布是抗火设计的基础,为此对10个圆钢管混凝土柱试件进行了标准火灾下非加载耐火试验,得到了火灾下截面温度分布情况;并进行了钢管混凝土柱火灾下截面温度场有限元分析,研究了柱直径、钢管厚度等的影响。进而提出了火灾下钢管混凝土柱钢管温度简化计算方法,其计算精度得到了试验及有限元计算结果的验证。     

非均匀火灾作用下方钢管混凝土柱受力机理研究

对单面、相对两面、三面及四面火灾作用下方钢管混凝土柱截面的典型温度场及其分布规律进行分析,研究方钢管混凝土柱轴向/侧向变形-时间关系曲线,得到不同受火条件对方钢管混凝土柱抗火性能的影响规律。结果表明,相对两面和四面受火的柱截面温度场双轴对称,因而截面材料强度场、温度应变、温度应力也呈双轴对称分布,柱受力机理与常温情况下类似;对于单面和三面受火情况,由于柱截面温度场单轴对称,使得柱受力模式与常温情况不同,受火过程中柱先弯向受火侧,然后弯向背火侧。与温度梯度产生的非均匀的温度变形和材料强度偏心相比,受火面的多少在更大程度上决定了试件的抗火性能,即在绝大多数情况下,四面受火、三面受火、相对两面受火及单面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限依次增大。但在某些特殊情况（如长细比λ<30）下,三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限可能小于其四面受火情况,此时如按四面受火对方钢管混凝土柱进行抗火设计,将存在安全隐患。     

火灾作用下不同截面形式混凝土柱受火性能分析

柱子的抗火性能是建筑结构安全性考虑中必不可少的部分。基于Abaqus有限元软件,建立混凝土柱温度场计算模型,探讨柱截面形状和尺寸对混凝土柱结构温度场的影响。研究表明,提高截面尺寸可显著提高混凝土柱的抗火性能,当截面尺寸提高一倍,其温度增加速度减小一倍。不同截面形式的混凝土柱呈现不同的温度变化速度,相同尺寸下,方形截面柱比圆形截面柱具有更好的抗火性能。无论是四面受火还是两面受火,方形截面柱与圆形截面柱之间的差异呈现类似规律。     

三面受火的矩形钢管混凝土柱受力机理与耐火极限

受火边界作为研究结构构件抗火性能的基本前提条件之一,对结构构件抗火性能有着显著影响。已有钢管混凝土柱相关研究多假设其四面均匀受火,则针对实际结构中可能出现的三面受火这一情况,对矩形钢管混凝土柱进行抗火性能理论研究。分析了三面受火的矩形钢管混凝土柱温度场和耐火极限,以及高温全过程的构件受力机理,且与四面受火的矩形钢管混凝土柱进行了对比分析。研究表明:三面受火时构件截面的整体温度比四面受火时有显著降低,且三面受火时耐火极限高于四面受火;三面受火构件在高温全过程中轴向变形趋势与四面受火类似,而侧向变形可能会发生反转。     

钢管混凝土叠合柱耐火性能研究

为研究钢管混凝土叠合柱火灾下的温度特性和力学性能,进行了4个钢管混凝土叠合柱试件的耐火极限试验,分析了试件在试验中的温度场分布、耐火极限、轴向变形和失效模式;基于ABAQUS有限元分析软件建立钢管混凝土叠合柱温度场和火灾下力学性能分析模型,模型分析结果与试验结果符合较好;在此基础上,利用该模型对影响钢管混凝土叠合柱耐火性能的主要参数进行分析。研究结果表明:钢管外的混凝土显著延缓了热量向钢管及其内部核心混凝土的传递,核心钢管混凝土部分承载力损失较小;由于各部分材料之间的相互作用,延缓了核心混凝土的损伤,避免钢管的局部屈曲,也使得破坏时钢管混凝土叠合柱仍具有较好的整体性;轴压比、截面尺寸、截面核心面积比和长细比是影响钢管混凝土叠合柱耐火极限的主要因素;基于此类参数提出钢管混凝土叠合柱耐火极限的实用计算式,与有限元分析结果和试验结果均符合较好,可为实际工程中该类构件的抗火设计提供参考。     

方形钢管混凝土叠合柱三面受火下力学性能分析

利用有限元软件ABAQUS建立方形钢管混凝土叠合柱三面受火下的有限元模型,通过现有相关文献试验数据对有限元分析方法的有效性进行验证后,分析方形钢管混凝土叠合柱三面受火下的温度场分布、破坏形态、轴向位移-时间关系、内力重分布、应力、应变等力学性能,并对影响构件耐火性能的相关因素进行参数分析。结果表明,方形钢管混凝土叠合柱三面受火下的横截面温度场分布呈单轴对称形态,荷载比、长细比、柱截面尺寸、外部混凝土抗压强度、截面含钢率是影响构件耐火极限的主要影响因素。基于对各主要参数影响规律的系统分析,提出三面受火下方形钢管混凝土叠合柱耐火极限简化计算公式,为此类构件在该种受火工况下的抗火设计提供参考。     

椭圆形钢管混凝土柱的抗火性能

采用非线性三维有限元模型,分析了轴向压力下椭圆形空心钢管混凝土(CFEHS)柱的抗火性能。本研究基于作者关于空心钢管混凝土(CF-CHS)柱在室温下性能和抗火性能的研究成果,用文献中CFEHS短柱在室温下的数据验证数值模型,然后将数值模型应用于CFEHS细长柱在高温下性能的研究。研究目的是为理解并阐述轴向压力下CFEHS柱在火灾中的性能,并将其有效性与圆形钢管混凝土(CFT)柱进行了对比。研究了柱长细比、荷载大小、横截面长细比和截面面积大小等不同参数对柱性能的影响。最后给出了CFEHS柱的设计建议:采用EN1994-1-2第4.3.5.1条导则设计,但是应采用基于法国规范附录椭圆截面有效直径的抗弯刚度折减系数。椭圆截面有效系数等于P/π(P为椭圆周长)。     

钢管约束型钢混凝土柱火作用下受力性能分析

为了得到火作用下钢管约束型钢混凝土柱的抗火性能,采用有限元软件ABAQUS建立钢管约束型钢混凝土柱有限元模型、分析ISO-834标准升温条件下构件的温度场分布和耐火极限。研究截面尺寸、荷载比、长细比等因素对构件耐火极限的影响规律。采用试验数据对分析结果进行验证,吻合较好。     

超高层矩形钢管混凝土柱太阳辐射下截面温度场分析

超高层结构常采用矩形钢管混凝土柱,在超高层结构施工中,矩形钢管混凝土柱一般会受到太阳直晒,强太阳辐射下,钢管表面温度可达到50~70℃,由于截面尺寸通常较大,钢管壁的四面和核心混凝土温度极不均匀,会影响钢管混凝土柱的受力。为了明确太阳辐射下钢管混凝土柱的截面温度场分布,研究了超高层主体结构施工阶段,矩形钢管混凝土柱在太阳辐射作用下温度场分布、壁面和混凝土温度变化规律、温差变化规律。分析发现:核心混凝土与钢管四个壁面温度差最大可达35.6℃,东西面钢管壁温差最大达25.6℃,极值温度和温差随截面尺寸增加而增加,但是边长大于1 000 mm后,极值温度和截面温差增幅变缓。     

相对两面受火的方中空钢管混凝土柱温度场分析

研究方中空钢管混凝土柱在相对两面受火方式下的抗火性能。利用ABAQUS软件建立相对两面受火方式下的方中空钢管混凝土柱的温度场分析模型,对比分析不同混凝土材料对构件温度场分布的影响。结果表明受火时,构件内部存在明显的温度梯度,核心混凝土在受火条件下可以延缓构件内部钢管温度的升高,内钢管区域的材料性能保持较好。     

Shape effect on the behaviour of axially loaded concrete filled steel tubular stub columns at elevated temperature

Concrete filled steel tubular columns have been extensively used in modern construction owing to that they utilise the most favourable properties of both constituent materials. It has been recognized that concrete filled tubular columns provide excellent structural properties such as high load bearing capacity, ductility, large energy-absorption capacity and good structural fire behaviour. This paper presents the structural fire behaviour of a series of concrete filled steel tubular stub columns with four typical column sectional shapes in standard fire. The selected concrete filled steel tube stub columns are divided into three groups by equal section strength at ambient temperature, equal steel cross sectional areas and equal concrete core cross sectional areas. The temperature distribution, critical temperature and fire exposing time etc. of selected composite columns are extracted by numerical simulations using commercial FE package ABAQUS. Based on the analysis and comparison of typical parameters, the effect of column sectional shapes on member temperature distribution and structural fire behaviour are discussed. It shows concrete steel tubular column with circular section possesses the best structural fire behaviour, followed by columns with elliptical, square and rectangular sections. Based on this research study, a simplified equation for the design of concrete filled columns at elevated temperature is proposed.     

Fire behaviour of high strength self-consolidating concrete filled steel tubular stub columns

This paper reports an investigation into the behaviour of high strength SCC (self-consolidating concrete) filled steel tubular stub columns exposed to standard fire. A series of tests were carried out to obtain the temperature distribution, axial deformation, limiting temperature of steel and fire endurance of the SCC filled steel tubular stub columns. In addition, a finite element analysis (FEA) model was proposed and used to simulate the fire behaviour of the columns. In the FEA modeling, a sensitivity study was conducted to determine the concrete fracture energy and the contact property of the steel and concrete interface. The verified FEA model was used to analyse the structural behaviour of the columns under fire exposure, such as strain, stress, the load sharing between the steel tube and concrete and local buckling of the steel tube, to gain an insight into the failure mechanism of the columns.     

轴心受压配筋钢管混凝土短柱的试验研究

介绍分析了在钢管混凝土短柱中配置纵向钢筋的试验及结果,研究表明,与普通的钢管混凝土柱相比,配筋钢管混凝土柱的承载力和变形性能都有较大的提高,因此可以采用在钢管内配置纵向钢筋的方法来减小钢管的壁厚,使得受火钢管退出工作后,仍能成为钢筋混凝土柱而具有一定的承载能力。     

轴心受压双钢管混凝土柱火灾后剩余承载力的研究

研究了双钢管混凝土柱耐火承栽力以及火灾后的剩余承载力。通过选取合适的钢材与混凝土热工性能模型。在有限元程序中模拟了ISO-834标准火灾升温曲线下双钢管混凝土柱的截面升温过程。得出了截面温度场分布以及不同部位的升温过程曲线。在此基础上结合钢管、混凝土高温下以及高温后的应力-应变本构模型分别对高温下与高温后轴心受压双钢管混凝土短柱进行了受力全过程数值分析,得到了高温下（后）轴心受压双钢管混凝土短柱的受力特点。     

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。     

圆钢管及钢管混凝土柱的抗火设计

分别对圆钢管、钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土柱进行了抗火设计,并对结果进行比较分析。结果表明,在较高荷载比下柱的耐火极限不能满足实际要求,必须进行防火保护。在相同条件下,耐火极限从大到小排序为:圆钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、钢管柱。在一级耐火等级下,钢管混凝土柱和中空夹层钢管混凝土柱需要厚涂型钢结构防火涂料的厚度可比钢管柱分别少55%和18%以上。随着荷载比的减小或截面尺寸的增加,柱的耐火极限提高,需要的保护层厚度减小。对于钢管混凝土柱,若采用水泥砂浆保护层,其厚度是防火涂料的3倍及以上。     

圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力

针对再生混凝土相对普通混凝土延性较差、承载力较低的特点,利用钢管和钢筋笼对再生混凝土的约束作用,将钢筋再生混凝土灌入圆钢管中形成圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行研究。基于极限分析法、套箍理论以及双剪统一强度理论,考虑钢管和钢筋笼的双重约束效应,提出了一套包含钢管径厚比、约束效应系数、含钢率以及再生粗骨料取代率等影响因素的圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力计算方法。在理论推导的基础上,考虑短柱的非线性、钢管与再生混凝土的滑移影响,采用ABAQUS有限元软件对圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行建模分析; 将理论公式值、有限元仿真结果以及相关文献试验数据进行对比,验证公式的有效性与适用性。结果表明:加了钢筋笼的圆钢管钢筋再生混凝土比圆钢管再生混凝土短柱轴压承载力提高10%左右,研究结论可以为实际工程的应用提供理论基础。     

方钢管再生混凝土短柱轴压承载力有限元分析

利用有限元软件ABAQUS对方钢管再生混凝土短柱轴压承载力进行非线性分析,建立了适用于有限元分析的钢管和再生混凝土本构关系模型;利用极限平衡法推导方钢管再生混凝土短柱轴压承载力计算公式函数类型;利用计算结果拟合出方钢管再生混凝土短柱轴压承载力的计算公式。研究结果表明:所提出的材料本构关系模型可以较好地满足对方钢管再生混凝土短柱轴压承载力进行模拟分析的要求,通过模拟获得的计算结果与相关试验结果差异较小,所建立的方钢管再生混凝土短柱轴压承载力计算公式能够较准确地计算构件极限承载力。     

Fire behaviour of concrete filled elliptical steel columns

In this work, a non-linear three-dimensional finite element model is presented in order to study the behaviour of axially loaded concrete filled elliptical hollow section (CFEHS) columns exposed to fire. This study builds on previous work carried out by the authors on concrete filled circular hollow section (CFCHS) columns both at room temperature and in fire. The numerical model is first validated at room temperature against a series of experiments on CFEHS stub columns available in the literature and subsequently extended to study the performance of slender columns at elevated temperatures. The aim of this work is to understand and represent the behaviour of axially loaded CFEHS columns in fire situations and to compare their effectiveness with that of the circular concrete filled tubular (CFT) columns. Parametric studies to explore the influence of variation in global member slenderness, load level, cross-section slenderness and section size are presented. Finally, guidance on the fire design of CFEHS columns is proposed: it is recommended to follow the guidelines of Clause 4.3.5.1 in EN 1994-1-2, but employing the flexural stiffness reduction coefficients established in the French National Annex with an equivalent EHS diameter equal to P/π, where P is the perimeter of the ellipse.     

薄壁钢管再生混合短柱轴压性能试验研究

通过20个薄壁钢管再生混合短柱的轴压试验,分析了废弃混凝土类型、废弃混凝土混合比、新旧混凝土强度差等因素对试件荷载-变形曲线的影响。对比分析了国内外相关公式预测试件轴压承载力的有效性;在横截面积和用钢量相同的情况下,对比了钢筋混凝土短柱与试件的轴压承载力。研究表明：混合比相近时,节段型钢管再生混合短柱的轴压承载力大于块体型钢管再生混合短柱;块体型钢管再生混合短柱的混合比在25%～35%之间变化时,其轴压承载力变化不大;节段型钢管再生混合短柱的混合比在35%～50%之间变化时,其轴压承载力变化不大;强度差小于15MPa时,块体型和节段型钢管再生混合短柱在上述各自混合比范围内,具有与全现浇钢管混凝土短柱相近的轴压承载力。