足尺钢框架结构中楼板受火试验研究

采用自制火灾试验炉对足尺钢框架结构中楼板的火灾行为进行试验研究。简要介绍了试验炉的设计、温度及变形测量方案,描述了试验现象以及楼板、钢梁和节点的破坏特征,分析了楼板、钢梁的截面温度分布规律和变形规律,并与相关试验结果进行了对比。结果表明：炉内温度基本均匀,停火时平均炉温约为780℃;升温时沿板厚具有较大的升温梯度,降温时存在降温滞后;升温阶段前期受火钢梁截面存在较大的升温梯度,后期截面温度基本一致;受火板格板顶裂缝模式主要取决于其边界条件,非受火板格裂缝特征取决于受火板格的位置及数量;由于受火组合梁产生反拱效应,受火板格中心位移存在一平缓阶段;因相邻结构约束较强,钢梁具有较好的抗火性能;与高强度螺栓连接节点相比,混合连接节点可有效防止钢梁出现局部屈曲。     

现浇组合梁抗火性能试验研究与数值模拟

为了对刚接约束下现浇组合梁的抗火性能进行研究,现对刚接约束下的现浇组合梁进行了恒载升温试验研究和数值模拟。在试验过程中,对试验现象进行了详细的观察记录,对现浇组合梁的温度分布和位移变化进行了测量。通过分析试验数据发现,现浇板的温度分布沿板厚方向逐渐降低,板底温度最高,40mm以下区域受火影响最为明显。现浇板会延缓钢梁上翼缘温度的升高,由于温度梯度的影响,现浇板会约束钢梁的变形;现浇板由于温度应力和荷载弯矩的影响,在板顶沿中轴线方向出现贯穿板面的裂缝,冷却后现浇组合梁有较强的变形恢复能力。刚接约束下现浇组合梁的模拟结果与试验结果符合较好,验证了数值模拟的正确性与可行性。     

带约束预制混凝土叠合板受火后抗弯性能的试验研究

进行带约束预制混凝土叠合板常温和受火后受弯性能的对比试验,研究升降温过程中截面温度场变化和不同受火时间自然冷却后极限荷载、初始弯曲刚度和延性系数的变化规律。结果表明：未受火预制混凝土叠合板和不同受火时间自然冷却后预制混凝土叠合板均发生弯曲破坏。带约束预制混凝土叠合板升温阶段截面温度场呈受火面温度高、背火面温度低的层状分布,降温阶段温度场呈内部温度高、外部温度低的圈状分布;随着受火时间增加,极限荷载和初始弯曲刚度均呈抛物线型下降;受火自然冷却后的残余挠度也明显增大。理论分析表明,经典塑形铰线理论适用于预制混凝土叠合板未受火试件和受火后试件极限荷载的计算;截面温度场和受火后极限荷载数值模拟结果均与试验结果吻合较好,可为预制混凝土叠合板的防火设计和火灾后鉴定评估提供依据。     

同跨受火时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,对两榀两层两跨组合钢框架在同跨火灾作用下的性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火、节点不受火,梁、板受火而柱、节点不受火两种。试验中量测了各种工况的炉温,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;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分布基本均匀;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;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。     

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.     

简支组合梁抗火性能参数研究

采用经试验结果验证的有限元模型,对影响组合梁抗火性能的混凝土板、钢梁、栓钉相关参数,混凝土板中的纵筋参数,钢梁防火保护层相关参数和荷载参数进行分析研究,得出了对组合梁抗火设计有益的结论。     

预应力叠合板抗火性能试验研究

为了解预应力叠合板在火灾中及火灾后的受力性能,制作了12块不同叠合层厚度的预应力叠合板,通过受火试验及受火后的静载试验,研究叠合板在高温和荷载耦合作用下的受力性能以及不同受火时间下受火后的受力机制和剩余承载力。结果表明：预应力叠合板在高温和荷载耦合作用下,叠合面将会产生水平裂缝,燃烧时间越长,这种现象越明显,甚至出现预制层与叠合层脱离;钢筋桁架对预应力叠合板的抗火性能具有重要作用,保证了叠合层与预制层脱离后板仍具有一定的整体工作性能;预应力叠合板在高温和荷载耦合作用下,将会产生顺筋裂缝,发生黏结破坏;受火后预应力叠合板再施加荷载,预制层与叠合层将会完全分离脱开,板的受力机制发生变化,由受弯构件转化为桁架结构;对于受火时间不超过60min、保护层厚度为20mm的预应力叠合板,其剩余承载力仍能达到未受火叠合板的80%以上;对于保护层厚度为20mm、预制层厚度为40mm、叠合层厚度不小于70mm的叠合板,其耐火极限可达2h以上。     

十年百人

聂建国,中国工程院院士、结构工程专家清华大学学术委员会主任重要成果聂建国于1988年开始进行钢-混凝土叠合板组合楼盖的试验研究,包括简支混凝土叠合板和连续混凝土叠合板试验、简支钢-混凝土叠合板组合梁和连续混凝土叠合板组合梁试验。他发现在静载作用下预制混凝土板上表面的抗剪钢筋(现在的桁架筋)是多余的,不仅增加成本,而且不方便施工。     

十年百人

聂建国,中国工程院院士、结构工程专家清华大学学术委员会主任重要成果聂建国于1988年开始进行钢-混凝土叠合板组合楼盖的试验研究,包括简支混凝土叠合板和连续混凝土叠合板试验、简支钢-混凝土叠合板组合梁和连续混凝土叠合板组合梁试验。他发现在静载作用下预制混凝土板上表面的抗剪钢筋(现在的桁架筋)是多余的,不仅增加成本,而且不方便施工。     

钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究

对两种组合梁形式:主梁式试件(压型钢板肋平行于钢梁)和次梁式试件(压型钢板肋垂直于钢梁)分别进行了抗火试验。试验中量测了试验炉火升温过程,试件的温度和跨中挠度。通过对试验结果的分析发现:由于混凝土板有明显的阻热作用,组合梁中的混凝土板升温较慢,钢梁升温较快,导致钢梁截面温度分布不均匀;由于高温和外力共同作用下,在梁端发生混凝土抗剪破坏,而栓钉由于受到混凝土的保护,温度较低,栓钉仍能正常发挥抗剪连接作用;跨中挠度达到梁跨的1/30后,变形快速增大,随之在跨中形成一条横向贯穿混凝土楼板的主压溃裂缝,产生塑性铰并形成机构,使简支组合梁产生不适于继续承载的变形,达到破坏。     

冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁受火试验研究

对5个冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁试件进行在ISO-834标准火灾下的受火试验。试验中考虑了荷载水平、防火涂层厚度和槽钢截面高度等参数的影响。试验结果表明：荷载水平、防火涂层厚度和槽钢截面高度是影响组合梁抗火性能的主要因素,其他因素影响很小;在ISO-834标准火灾下,以跨中挠度δ=l/25作为组合梁达到耐火极限的判别标准是合适的;填充混凝土可有效提高组合梁的整体刚度和延性,使其在高温下直至破坏仍可保持完整性,没有出现高温局部屈曲现象;在槽钢上直接涂刷防火涂层不能保证其与槽钢表面的紧密结合,需要改进组合梁的防火涂层施工工艺;试验结果验证了有限元分析结果的正确性。     

Numerical analysis on mechanical behavior of steel-concrete composite beams under fire

This paper investigated the fire behavior of steel-concrete composite beams (SCB) and partially encased steel-concrete composite beams (PEB) through numerical analysis. The numerical models established by the software ABAQUS were verified against experimental results. Parametric studies were performed to study the influences of load ratio, strength of concrete and steel, width of concrete slab, size of steel beam, fire protection layer, and degree of shear connection on the fire behavior of SCB and PEB. The analysis results show that the deformation stages of SCB and PEB under fire both go through four stages: elastic, elastic–plastic, plastic small deformation, and plastic large deformation. The web of SCB experiences a tension–compression–tension process under fire, and the bottom flange of PEB may even change from tension to compression at a lower load ratio. The failure mode of PEB, whether the concrete is crushed, depends on the load ratio. When SCB fails, the concrete is crushed and only the bottom flange of the steel beam yields. Under various parameters, the fire resistance of SCB is about 22 min, while the fire resistance of PEB is 82–93 min under a load of 0.4. When the load ratio increases from 0.2 to 0.6, the fire resistance of SCB decreases by 8 min, while that of PEB decreases by 110 min. To meet class I fire resistance rating under a normal service load ratio of 0.4, additional measures for PEB are still required, and at least 15 mm of fire protection layer is required for the steel beam of SCB. Finally, considering the temperature internal fore, a coefficient related to the fire time was introduced to modify the formula of ultimate flexural capacity of SCB and PEB, which showed good accuracy.     

高层钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗火性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS,对高层钢管混凝土柱-钢梁组合框架不同区域发生火灾的情况进行数值模拟,研究高温下各构件的温度场分布以及不同区域框架受火时的变形情况、耐火极限、应力分布状况。结果表明：在考虑楼板有利作用下,钢梁上翼缘的温度最低;高层建筑的底层变形最大、耐火极限最短、钢管的应力最集中、核心混凝土处于全截面受压状态。     

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。     

Free vibration analysis of laminated FG-CNT reinforced composite beams using finite element method

In the present study, the free vibration of laminated functionally graded carbon nanotube reinforced composite beams is analyzed. The laminated beam is made of perfectly bonded carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) layers. In each layer, single-walled carbon nanotubes are assumed to be uniformly distributed (UD) or functionally graded (FG) distributed along the thickness direction. Effective material properties of the two-phase composites, a mixture of carbon nanotubes (CNTs) and an isotropic polymer, are calculated using the extended rule of mixture. The first-order shear deformation theory is used to formulate a governing equation for predicting free vibration of laminated functionally graded carbon nanotubes reinforced composite (FG-CNTRC) beams. The governing equation is solved by the finite element method with various boundary conditions. Several numerical tests are performed to investigate the influence of the CNTs volume fractions, CNTs distributions, CNTs orientation angles, boundary conditions, length-to-thickness ratios and the numbers of layers on the frequencies of the laminated FG-CNTRC beams. Moreover, a laminated composite beam combined by various distribution types of CNTs is also studied.     

初始残余应力对预应力钢-混凝土连续组合梁抗火性能影响

为研究钢梁残余应力对预应力连续组合梁抗火性能的影响,建立了预应力连续组合梁在高温下非线性升温过程受力行为的有限元模型。通过考察梁的破坏形式、跨中挠度、预应力拉索张力、截面弯矩以及梁的曲率等关键参数随温度的变化,得到不同残余应力模式对组合梁抗火性能的影响机理。分析结果表明：残余应力的分布并不总是对预应力钢-混凝土组合梁的高温性能产生不利影响,腹板具有初始残余拉应力分布模式的预应力钢-混凝土组合梁高温下的挠度相对最小;残余应力主要通过影响截面正应力分布来影响钢梁的截面刚度;在临界状态时,残余应力对组合梁截面刚度的影响不明显;不同残余应力模式对高温下预应力钢-混凝土组合梁的截面抗弯刚度影响不同;当预应力钢-混凝土组合梁的初始残余应力模式以腹板全截面拉应力为主时,预应力钢-混凝土组合梁跨中截面抗弯刚度最大;当残余应力对组合梁跨中截面抗弯刚度有利时,梁跨中截面处中和轴位置比无残余应力影响时较高。     

高温火直接作用下钢梁抗火性能试验研究

为研究高温火直接作用下钢梁的抗火性能,对其进行了高温火直接作用试验;同时,以受热时间作为变化参数,对比分析了高温火直接作用和按ISO 834标准升温过程钢梁的轴力、跨中挠度及耐火时间。结果表明：高温火直接作用与按ISO 834标准升温下,钢梁破坏端面的微观组织及升温过程的受力和变形存在明显差异;无论有无防火涂层的保护,当温度800℃时,高温火直接作用下钢梁的最大轴力比按ISO 834标准升温的增大76.9%以上;同时,防火涂层厚度对钢梁的耐火时间也有影响,无防火涂层时,钢梁的耐火时间小于20min;有防火涂层保护时,随防火涂层厚度增厚,两种高温作用下,钢梁的耐火时间相近,但防火涂层厚度不足15mm时,耐火时间相差20%以上;当防火涂层厚度为15mm时,在温度约800℃高温火直接作用下,其耐火时间为26min。