火災(zāi)下鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

對(duì)組成鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究；以截面形式、混凝土類型和試件曾經(jīng)歷的最高溫度為主要參數(shù)，進(jìn)行了32個(gè)鋼管再生混凝土短柱和8個(gè)鋼管普通混凝土對(duì)比試件火災(zāi)（高溫）后力學(xué)性能的試驗(yàn)研究；在確定鋼材和核心再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，建立了火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能分析的有限元模型，揭示了火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土短柱的工作機(jī)理；在系統(tǒng)參數(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了火災(zāi)（高溫）后鋼管再生混凝土軸壓承載力和彈性模量的簡(jiǎn)化計(jì)算公式?；谟邢拊浖嗀BAQUS建立了鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點(diǎn)的理論分析模型，初步分析了影響該類節(jié)點(diǎn)火災(zāi)下和火災(zāi)升、降溫共同作用下力學(xué)性能的主要因素；設(shè)計(jì)了8個(gè)方鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點(diǎn)試件（火災(zāi)下試件6個(gè)、火災(zāi)升、降溫作用下試件2個(gè)），考察梁柱彎矩比（或線剛度比）、梁防火保護(hù)層厚度、梁荷載比等參數(shù)對(duì)該類節(jié)點(diǎn)時(shí)間－溫度關(guān)系、破壞形態(tài)、荷載-變形關(guān)系和變形-時(shí)間關(guān)系的影響規(guī)律。本項(xiàng)目的研究成果可為整體鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)及其火災(zāi)后的評(píng)估修復(fù)提供參考。 2100433B

建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后，除可能引起結(jié)構(gòu)倒塌和造成人員傷亡外，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的建筑功能喪失并引起較大間接經(jīng)濟(jì)損失。目前國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究主要針對(duì)獨(dú)立構(gòu)件，然而獨(dú)立構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的抗火性能有很大不同，其原因是整體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件由于受到與其相鄰構(gòu)件的影響，而改變其作為獨(dú)立構(gòu)件時(shí)的受力方式，且在火災(zāi)作用下，鋼材和混凝土的溫度膨脹效應(yīng)也表現(xiàn)出很大的差異。本項(xiàng)目將研究高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的鋼管混凝土柱-鋼梁加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)）的抗火性能，基于彈塑性有限元理論建立其在火災(zāi)作用下的理論分析模型，并通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的受火試驗(yàn)，對(duì)分析理論進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)本項(xiàng)目試驗(yàn)和理論研究，將揭示鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的受火溫度場(chǎng)及內(nèi)力變化規(guī)律和受火破壞機(jī)理，確立其受火破壞準(zhǔn)則和抗火設(shè)計(jì)原則，建立能較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)整體性的抗火設(shè)計(jì)方法，使鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗火設(shè)計(jì)理論取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

本項(xiàng)目的成果包括：通過(guò)Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)試驗(yàn)，研究了建筑結(jié)構(gòu)用鋼在高溫條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，并建立了一種新的鋼材高溫-粘塑性本構(gòu)模型，該模型與試驗(yàn)結(jié)果的擬合效果較好；在新提出本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，基于三種不同單元(平面Timoshenko剪切梁?jiǎn)卧?、三維纖維梁?jiǎn)卧?、九?jié)點(diǎn)Mindlin板單元)，建立了三個(gè)可用于分析火災(zāi)-爆炸共同作用下約束鋼梁力學(xué)響應(yīng)的非線性數(shù)值模型(使用Fortran編程)，并模擬了若干火災(zāi)及爆炸試驗(yàn)過(guò)程，效果良好；使用建立的數(shù)值模型并結(jié)合現(xiàn)有的商業(yè)通用有限元軟件進(jìn)行了大量參數(shù)分析，總結(jié)了梁在火災(zāi)-爆炸共同作用條件下的破壞模式，以及軸向約束剛度、爆炸載荷特征、火災(zāi)升溫路徑等因素對(duì)梁響應(yīng)結(jié)果的影響；提出了一種簡(jiǎn)化的梁在火災(zāi)-爆炸共同作用條件下響應(yīng)的計(jì)算方法。鋼材的高溫動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(DSA)使兩種鋼材表現(xiàn)出明顯的“反?！毙袨椋?dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，鋼材的流動(dòng)應(yīng)力表現(xiàn)出溫度強(qiáng)化以及應(yīng)變率軟化效應(yīng)，同時(shí)可以明顯觀察到材料硬化率的提高。而參數(shù)分析表明，若僅考慮鋼梁在火災(zāi)升溫過(guò)程中的材料軟化及撓曲變形造成的幾何非線性效應(yīng)，而不考慮梁截面畸變影響，先爆炸、后火災(zāi)或先火災(zāi)、后爆炸，這兩種加載方式對(duì)鋼梁的影響主要集中于殘余撓度的差異上，對(duì)梁其它性能的影響較小。當(dāng)考慮加載過(guò)程中梁截面的畸變，爆炸(尤其沿梁平面外方向加載)可明顯改變梁截面的抗彎剛度，從而使爆炸后梁的火災(zāi)行為與使用梁?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果產(chǎn)生大的差異。爆炸施加的角度影響梁的火災(zāi)-爆炸行為，沿梁負(fù)撓曲方向加載的爆炸作用，可使梁形成反拱，同時(shí)熱膨脹導(dǎo)致梁軸力的增大，這有利于梁抗火性能的提高。分析結(jié)果還表明，當(dāng)梁截面各分肢具有合理的高厚比或?qū)捄癖葧r(shí)，可以保證梁較好的延性，而延性越好，梁在火災(zāi)-爆炸共同作用下將具有相對(duì)小的損傷。 2100433B

本項(xiàng)目進(jìn)行了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)和數(shù)值分析研究。異形柱截面包括十字形和T形兩種，均內(nèi)置對(duì)拉鋼筋加勁肋以延緩鋼管的局部屈曲，增強(qiáng)對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)。節(jié)點(diǎn)傳力構(gòu)造包括外環(huán)板和豎向肋板兩種，外環(huán)板將鋼梁翼緣拉力傳遞給柱鋼管腹板，雖然對(duì)建筑室內(nèi)空間略有干擾，但繼承了圓形和方形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可靠的優(yōu)勢(shì)；豎向肋板雖然傳力效果略低于外環(huán)板，但其對(duì)建筑室內(nèi)空間無(wú)干擾，符合異形柱結(jié)構(gòu)的建筑功能初衷。節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn)在MTS協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)下進(jìn)行，梁、柱均取反彎點(diǎn)之間部分，端部邊界條件均為鉸接，在柱頂施加恒定豎向荷載和水平往復(fù)荷載。試驗(yàn)中得到柱端水平荷載-位移滯回曲線、梁彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力-剪切變形曲線、梁柱彎曲變形曲線以及節(jié)點(diǎn)翼緣、腹板、外環(huán)板、豎向肋板應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示兩種形式異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)均能較為充分發(fā)揮鋼梁的抗彎性能，剛度、承載力、變形能力和耗能性能均能滿足抗震要求，其中外環(huán)板節(jié)點(diǎn)的承載力、延性、耗能等力學(xué)性能均略好于豎向肋板節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)破壞模式均依次表現(xiàn)為鋼梁翼緣屈服-柱鋼管被拉脫開-外環(huán)板或豎向肋板與鋼梁翼緣或柱鋼管連接焊縫開裂。結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果，本課題還深入進(jìn)行了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)抗震性能數(shù)值分析。應(yīng)用數(shù)值程序分析了外環(huán)板和豎向肋板形狀參數(shù)、柱軸壓比、梁剪跨比等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響規(guī)律，并提出了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。本課題研究的外環(huán)板異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)和豎向肋板異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)良的抗震性能，能夠在高層建筑結(jié)構(gòu)和較高抗震設(shè)防烈度地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中得到推廣和應(yīng)用。 2100433B

爆炸往往伴隨著火災(zāi)，而火災(zāi)有時(shí)也會(huì)引起爆炸，研究鋼結(jié)構(gòu)在爆炸和火災(zāi)聯(lián)合作用下的力學(xué)性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目擬對(duì)不同約束條件下工字鋼梁在高溫下的抗沖擊性能進(jìn)行研究，包括理論分析、試驗(yàn)研究、計(jì)算機(jī)模擬以及參數(shù)討論。通過(guò)對(duì)鋼材進(jìn)行高溫下不同應(yīng)變率的沖擊試驗(yàn)，研究鋼材在高溫、高應(yīng)變率下的力學(xué)性能，并擬合材性模型，確定相關(guān)參數(shù)，得到鋼材的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等參數(shù)之間的關(guān)系，將其應(yīng)用到火災(zāi)和爆炸下的結(jié)構(gòu)分析。應(yīng)用給定的燃?xì)獗ê奢d模型，研究鋼梁在火災(zāi)和爆炸共同作用下的動(dòng)力響應(yīng)及破壞形態(tài)，考慮梁端約束情況包括軸向約束剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度的影響，推導(dǎo)復(fù)雜條件下單元?jiǎng)偠确匠蹋幹朴邢拊绦?，?jì)算不同溫度下約束鋼梁的抗沖擊性能。通過(guò)參數(shù)分析，得到不同約束條件下工字鋼梁極限溫度和沖擊荷載之間的關(guān)系，給出約束鋼梁高溫下抗沖擊性能的計(jì)算方法。研究成果可為鋼框架結(jié)構(gòu)整體抗火、抗爆性能研究提供基礎(chǔ)。