基于梁单元受火后型钢(钢筋)混凝土结构受力性能分析

为了对遭受火灾的型钢和钢筋混凝土框架结构的受力性能进行分析,建立了采用梁单元和考虑升降温过程影响的框架结构高温后受力性能分析方法。通过选择合理的火灾升温、降温以及受火后不同阶段材料的本构关系,采用在ABAQUS平台上开发材料子程序的方法实现了型钢和钢筋混凝土框架结构高温后受力性能的计算分析。利用该方法对钢筋混凝土框架高温反应试验、高温后型钢混凝土柱及型钢混凝土框架结构受力性能试验进行了模拟,其结果与试验结果基本吻合,验证了所提方法的合理性。     

高温后型钢混凝土框架结构抗震性能及其有限元分析

考虑受火时间、柱轴压比的影响,进行了考虑火灾升降温作用影响的高温后型钢混凝土框架结构抗震性能试验,升降温过程中和高温后阶段均保持柱顶竖向荷载的恒定。通过试验对高温后型钢混凝土框架结构在反复荷载作用下的破坏形态及滞回性能进行了研究。在此基础上,考虑升温阶段、降温阶段以及火灾后三阶段材料本构关系的转化以及型钢与混凝土之间、钢筋与混凝土之间界面的黏结滑移特性,建立了型钢混凝土框架结构温度场以及火灾后抗震性能的有限元分析模型,所得温度场以及试件的破坏形态、滞回曲线的分析结果与试验结果基本吻合,验证了所提出模型的合理性。     

钢筋混凝土材料本构模型在ABAQUS纤维梁单元二次开发中的应用

本文利用有限元软件ABAQUS所提供的用户自定义材料接口UMAT,采用FORTRAN语言开发了适用于ABAQUS纤维梁单元的材料单轴本构模型,其中包括Scott-Kent-Park混凝土单轴滞回本构模型和Menegotto-Pinto钢筋单轴滞回本构模型。同时对国内外已有学者完成的钢筋混凝土柱和框架的试验进行力学性能数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了本文所开发材料子程序的合理性和有效性,从而为钢筋混凝土结构的弹塑性分析提供较精确合理的材料本构模型。     

钢纤维混凝土动态本构模型及其有限元方法

利用改进的BP神经网络,以钢纤维混凝土的分离式霍普金森压杆试验数据为训练样本,建立了钢纤维混凝土的隐式动态本构模型。以显式动态有限元软件ABAQUS/Explicit为开发平台,采用FORTRAN语言编写了材料用户子程序VUMAT,将神经网络表达的材料动态本构模型嵌入到有限元计算中,实现了冲击荷载下钢纤维混凝土结构响应的数值模拟。算例显示,建立的本构模型和相应的有限元方法是有效的。     

往复荷载下混凝土本构模型的选择在ABAQUS中的应用

对ABAQUS有限元软件中的混凝土模型进行简要介绍,通过选用几种具有代表性的混凝土本构,对往复荷载下的混凝土应力-应变关系进行数值模拟,将模拟结果同试验结果进行比较,探讨适用于ABAQUS有限元软件的用于模拟往复荷载的混凝土本构模型。在比较分析的基础上,选用同试验吻合情况良好的Mander混凝土本构模型及用于模拟钢管混凝土的韩林海模型对钢管混凝土叠合柱构件和钢管混凝土柱-钢梁连接节点构件进行滞回性能模拟。模拟结果表明所选混凝土本构适用于模拟含混凝土材料的构件在往复荷载下的混凝土力学性能,可供研究参考。     

高温后钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟

准确预测高温后钢筋混凝土柱的受力特性对评估结构火灾后的安全性和可修复性具有重要意义。由于复杂的材料性能和受热行为,高温后钢筋混凝土柱受力性能的准确计算目前仍需主要借助数值模拟,并且对数值模型中混凝土和钢筋材料的滞回本构关系以及如何考虑高温后的材料性能影响提出了更高的精度要求。本文基于本研究已开发的纤维模型程序,即采用经试验验证并得到广泛应用的材料模型模拟恒温下的混凝土及钢筋本构特征,并参照已有相关研究成果,合理考虑高温后钢筋混凝土的材料性能影响,以通用有限元软件为计算平台,实现了高温后钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟。对相关文献中高温后的一个混凝土轴压柱试件和一个混凝土压弯柱试件进行了数值模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好。     

钢管初应力对内配型钢钢管混凝土偏压柱受力性能的影响

本文在以往内配型钢钢管混凝土偏压柱力学性能试验研究、钢管初应力对钢管混凝土偏压柱力学性能影响的试验研究基础上,利用ABAQUS有限元软件,首先建立了内配型钢钢管混凝土偏压柱、考虑钢管初应力的钢管混凝土柱有限元计算模型,数值模拟结果与试验结果吻合良好。进而建立考虑钢管初应力的内配十字形型钢圆钢管混凝土偏压柱受力性能影响模型,详细分析了钢管初应力对其力学性能的影响规律。最后,对影响承载力影响系数kp的参数进行了系统分析。     

规范混凝土材料本构关系扩展及验证

依据现行混凝土规范,但其不能考虑箍筋的约束作用等问题,无法模拟结构在往复荷载下的动力特性。现从实际应用出发,把规范混凝土材料本构补充完整,并考虑了箍筋的有利作用,在此基础上开发了适用于ABAQUS动力弹塑性分析的混凝土材料子程序,并通过试验验证了子程序的有效性和准确性。补充之后的混凝土本构模型和材料本身的实际动力特性接近,可供相关人员参考。     

圆钢管型钢再生混凝土短柱轴压性能有限元分析

在5个圆钢管型钢再生混凝土组合短柱试验的基础上,利用有限元软件ABAQUS建立了圆钢管型钢再生混凝土短柱的静力计算模型。通过选取合理的材料本构,计算得出构件的荷载-位移曲线、割线刚度、承载力、延性系数、耗能、损伤,并与试验结果进行了对比,结果表明两者吻合较好。在对比验证的基础上进行有限元模型的应力、荷载分配曲线以及参数分析,研究型钢配钢率、核心再生混凝土强度对圆钢管型钢再生混凝土短柱承载力的影响。模拟结果表明,构件承载力随着型钢配钢率、核心再生混凝土强度的提高而提高。表明该组合结构具有较好的承载性能。     

基于ABAQUS的钢管混凝土中核心混凝土用户材料子程序二次开发

针对钢管混凝土中的核心混凝土,采用现有的核心混凝土单轴受压本构关系及《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中给出的滞回规则,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS提供的二次开发平台,开发了核心混凝土用户材料子程序UMAT,并分别在材料、构件及结构层次上进行了验证。结果表明,采用所开发的核心混凝土用户材料子程序在总体上能较好地模拟钢管混凝土结构或构件的力学性能,且具有较高的分析效率。     

Nonlinear behavior of steel structures considering the cooling phase of a fire

The nonlinear behavior of steel structures considering the heating and the cooling phases of a fire is investigated by the Vector Form Intrinsic Finite Element (VFIFE) method. The temperature dependent constitutive relations of steel which include strain reversal effects are adopted. The numerical model is first verified by comparing the results with the published analytical and experimental results for steel structures in the cooling phase. Several numerical examples are then fully studied to investigate the cooling behavior of steel structures. The proposed numerical model can effectively predict the nonlinear behavior of the steel structure in both the heating and cooling phases.     

高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能，使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系，基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型，考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响，模拟得到了钢柱的受火响应，其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明，无防护的Q690钢柱在受火20min左右发生破坏，破坏模式为整体失稳破坏；荷载比对临界温度影响较大，长细比和升温速率影响较小；Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN 1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

Mechanical performance of steel reinforced concrete frame structures during fire including a cooling phase

在火灾降温阶段，结构构件的截面部分区域升温的同时，也有区域在降温，结构受力性能较为复杂，建筑结构更易发生倒塌破坏。为研究火灾降温阶段型钢混凝土框架结构的受力性能，通过已有火灾升降温条件下型钢混凝土框架及柱的受力性能试验，得到了构件截面的温度-时间关系曲线、结构变形-时间关系曲线，以及升降温过程中框架及柱的破坏形态。同时，采用有限元模型对升降温过程中型钢混凝土框架及柱的受力性能进行分析。结果表明：在火灾降温阶段，构件截面的升温区和降温区的范围在逐渐变化，截面的应力也随之发生变化。在此阶段，构件截面内部温度升高导致材料强度降低，截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低，截面内外温差导致截面周围出现拉应力。上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。相较于受火前，结构温度降至室温时结构的刚度降低、变形增加。     

火灾降温阶段型钢混凝土框架结构受力性能研究

在火灾降温阶段,结构构件的截面部分区域升温的同时,也有区域在降温,结构受力性能较为复杂,建筑结构更易发生倒塌破坏。为研究火灾降温阶段型钢混凝土框架结构的受力性能,通过已有火灾升降温条件下型钢混凝土框架及柱的受力性能试验,得到了构件截面的温度-时间关系曲线、结构变形-时间关系曲线,以及升降温过程中框架及柱的破坏形态。同时,采用有限元模型对升降温过程中型钢混凝土框架及柱的受力性能进行分析。结果表明：在火灾降温阶段,构件截面的升温区和降温区的范围在逐渐变化,截面的应力也随之发生变化。在此阶段,构件截面内部温度升高导致材料强度降低,截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低,截面内外温差导致截面周围出现拉应力。上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。相较于受火前,结构温度降至室温时结构的刚度降低、变形增加。     

高温后型钢混凝土柱抗震性能试验研究

为评估火灾后型钢混凝土柱的抗震能力,为其火灾后加固提供参考,进行了11个型钢混凝土柱试件的高温后抗震性能试验。试件在升降温过程中施加恒定轴向荷载,并且在高温后抗震试验中保持相同的轴向荷载水平。试验中考虑轴压比和受火时间对抗震性能的影响,以获取并分析试件的破坏特征、荷载-位移滞回曲线、刚度、延性和耗能能力。试验结果表明：型钢混凝土柱试件在反复荷载作用下由柱底混凝土剥落形成塑性铰,塑性铰长度为0.14H~0.44H(H为柱截面高度);试件在反复荷载作用下出现贯通全柱的黏结滑移裂缝,滞回曲线大致呈梭形,耗能能力较好;较之未受火试件,受火后试件滞回曲线更为饱满,骨架曲线更为平缓,位移延性系数略有增大,刚度和承载力退化明显,耗能能力略有降低。受火时间相同时,轴压比大的试件极限荷载略高,极限位移较小,延性差,耗能能力更强;轴压比相同时,受火时间越长,承载力和刚度下降越明显,延性略有提高,耗能能力变差。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力试验研究

设计了3根截面尺寸、长度均相同的Q550高强度钢柱,其中两根受到轴向约束,并对其进行了恒载作用下升温、降温的受火全过程试验,以及自然降温至室温后的轴压剩余承载力试验,对未受火的钢柱进行了常温下的极限承载力试验。研究了高温试验中钢柱的轴向位移-温度和中点侧向挠度-温度关系、极限承载力试验中钢柱的轴力-轴向位移和轴力-柱中点侧向挠度关系,并进行了有限元模拟。试验以及有限元模拟分析显示,若约束钢柱在高温过程中发生屈曲,则降温后钢柱会有明显的残余弯曲变形,并且柱中截面会产生比初始残余应力更为显著的残余应力,从而显著降低钢柱的剩余承载力和轴向刚度。试验结果与有限元分析结果吻合较好,验证了有限元分析模型的有效性。     

Experimental research on the behaviour of eccentrically loaded SRC columns subjected to the ISO-834 standard fire including a cooling phase

This paper presents an experiment study of the post-fire behavior of five SRC columns under combination of axial eccentrical loading and fire. The experiment phenomena and mechanical response of the SRC column specimens during experiment, specifically loading, heating, cooling and post-fire loading were observed. The residual load bearing capacity, failure modes and vertical deformation were studied. With the test program, the effects of parameters such as the load ratio, the fire duration time and the steel ratio were studied. It is shown that the effects of temperature delay become more obvious with the increase of the depth from the heated surface. Some of the SRC column specimens failed during the cooling phase. For other specimens residual deformations were observed when the furnace temperature decreased to ambient temperature. The influence of some parameters including the load ratio, the fire duration time and the steel ratio on the post-fire load bearing capacities was discussed. It can be concluded that the residual load bearing capacity of the SRC columns decreases with the increase of the fire duration time and the load ratio, and increases with the increase of the steel ratio. Finally, a finite-element analysis model was developed to simulate the behavior of the tested SRC columns.     

钢-混凝土组合结构抗火性能研究与应用

钢-混凝土组合结构抗火性能研究是当前的研究热点之一,国内外学者对此展开大量试验研究和理论分析。通过介绍国内外研究者在组合板、组合梁、组合柱等构件以及结构节点和结构体系抗火性能方面研究概况,分析了我国现有防火设计规范的特点以及工程应用情况,指出现有研究的不足,对组合结构抗火研究领域在高温材料热-力耦合本构关系、计算理论、数值火灾试验和设计方法等方面需进一步研究的工作进行了展望。文中指出,建立考虑升降温、多轴应力状态、不同加卸载路径的钢材和混凝土热-力耦合本构关系,建立基于整体性能、考虑升降温全过程的结构抗火分析理论,建立整体结构数值火灾试验方法,提出“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估原则以及基于时变可靠度和结构整体性能的组合结构抗火设计方法是钢-混凝土组合结构抗火性能研究的关键科学问题。表2参119     

轴向约束钢筋混凝土柱火灾后剩余轴压性能的试验研究

实际结构中钢筋混凝土柱在遭受火灾作用时会受到相邻构件的约束作用,其内力在升降温过程中是不断变化的。由于火灾后钢筋混凝土结构经修复加固大多仍可继续服役,积极开展约束柱火灾后的剩余性能研究是必要的。本文进行了16根轴向约束钢筋混凝土柱(方形柱、十字形柱、T形柱和L形柱各4根)标准火灾作用后剩余轴压刚度和承载力的试验研究。研究结果表明:(1)钢筋混凝土柱的剩余轴压刚度随着受火时间的增加逐渐减小;(2)受火时间相同时,钢筋混凝土柱的剩余极限承载力随着初始轴压比的增大而减小,同时随着轴向约束刚度比的增大而增大,最大增幅10%左右;(3)受火时间相同时,柱剩余轴压刚度从大到小依次为十字形柱>T形柱>L形柱;(4)受火时间约90min和110min时,不同试件的承载力折减系数大致分别为0.4～0.5和0.33～0.43。     

Axial strength of cold-formed thin-walled steel channels under non-uniform temperatures in fire

This paper presents the results of a numerical investigation into the axial strength of cold-formed thin-walled channel sections (columns) under non-uniform high temperatures in fire. The non-uniform temperature distributions are based on the results of a thermal analysis of thin-walled stud panels carried out by the authors. The general finite-element package ABAQUS is used to obtain strengths of columns with different lengths at different fire exposure times. To aid development of a hand calculation method of column strength in fire, the accuracy of using two ways of simplifying the non-uniform temperature distribution is investigated. The ambient temperature design method for cold-formed thin-walled columns in Eurocode 3 Part 1.3 (EN1993-1-3, Eurocode 3: design of steel structures, Part 1.3: general rules, supplementary rules for cold formed thin gauge members and sheeting, European Commission for Standardisation, Brussels, 2001) is modified to take into account the change in the strength and stiffness of steel at elevated temperatures and thermal-bowing effects. The results of this design method are compared to the ABAQUS simulation results.