考慮端部約束的方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能研究

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設(shè)計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此對方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能開展了試驗研究與理論分析，并提出了相應(yīng)的抗火設(shè)計方法。首先進(jìn)行了方鋼管約束鋼筋混凝土柱足尺明火試驗，實(shí)測了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下構(gòu)件截面關(guān)鍵測點(diǎn)溫度、軸向變形、柱頂轉(zhuǎn)角、側(cè)向變形、耐火極限和破壞模式，獲得了荷載比和偏心距對火災(zāi)下構(gòu)件變形和耐火極限的影響規(guī)律。建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱溫度場和耐火極限的有限元分析模型，分析了荷載比、截面尺寸、偏心率等參數(shù)對溫度場和耐火極限的影響規(guī)律，提出了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下鋼管、鋼筋與混凝土溫度的計算方法與耐火極限的計算方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，因此分析了端部軸向約束與轉(zhuǎn)動約束作用對構(gòu)件抗火性能的影響。獲得了軸向約束剛度比和轉(zhuǎn)動約束剛度比對構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律，提出了火災(zāi)下構(gòu)件計算長度計算公式，以及考慮端部約束的方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火設(shè)計方法。本項目揭示了火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱的工作機(jī)理，建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計方法，為該類構(gòu)件的防火設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善了鋼管約束鋼筋混凝土柱的設(shè)計理論。 2100433B

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設(shè)計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此，應(yīng)對其抗火性能展開研究。此外，相關(guān)研究表明，實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，有必要考慮端部約束作用。為此，本項目將以方鋼管約束鋼筋混凝土柱為研究對象，采用試驗研究與理論分析相結(jié)合的方式，重點(diǎn)研究火災(zāi)下無端部約束構(gòu)件的溫度、變形與耐火極限，并提出抗火設(shè)計方法；在此基礎(chǔ)上，引入端部約束作用，分析其對火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱受力機(jī)理與耐火極限的影響，提出可考慮端部約束作用的抗火設(shè)計建議。本項目的研究成果將進(jìn)一步完善鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計理論，促進(jìn)該類構(gòu)件的應(yīng)用與發(fā)展。

研究不同受火時間后約束鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件的抗剪性能，揭示受火時間、構(gòu)件端部約束、荷載比等因素對全過程火災(zāi)作用后鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的影響特點(diǎn)。建立火災(zāi)后約束鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的數(shù)值分析模型,并開發(fā)相應(yīng)的全過程分析程序。分析總結(jié)高溫下相鄰構(gòu)件之間的相互作用對高溫后鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的影響規(guī)律，建立火災(zāi)后約束鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件殘余抗剪承載力的實(shí)用計算方法。在考慮高溫下內(nèi)力重分布過程對構(gòu)件損傷作用的情況下，研究并提出火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力(含軸力、彎矩和剪力)的簡化計算方法。針對高溫下結(jié)構(gòu)中構(gòu)件受到相鄰構(gòu)件的約束會影響其高溫后力學(xué)性能的特點(diǎn)，本項目可以填補(bǔ)火災(zāi)后約束鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能研究的空白，為火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評定、抗剪加固奠定基礎(chǔ)，為相關(guān)規(guī)范的編制提供科學(xué)依據(jù)，因而具有重要的理論意義和明確的應(yīng)用前景。

火災(zāi)高溫可使鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能降低、甚至出現(xiàn)剪切破壞。位于地震區(qū)的火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)若未經(jīng)加固處理就繼續(xù)使用，可能埋下抗震防災(zāi)的巨大隱患。另外，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災(zāi)全過程中的相互約束也可能會對火災(zāi)后構(gòu)件的抗剪性能產(chǎn)生一定的影響。然而，目前有關(guān)火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能及高溫下構(gòu)件端部約束對其影響方面的研究工作較少。為此，本項目從試驗、理論分析、數(shù)值計算三方面對上述問題進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果：(1) 進(jìn)行了火災(zāi)后鋼筋混凝土短柱抗震性能的試驗研究和數(shù)值計算，建議了四周受火后鋼筋混凝土柱抗剪承載力的實(shí)用計算公式。研究表明，火災(zāi)后短柱的抗剪承載力先隨軸壓比的增大而增大，但當(dāng)軸壓比增大至界限軸壓比后反將降低?；馂?zāi)后的界限軸壓比較未受火時有減小趨勢。(2) 進(jìn)行火災(zāi)后鋼筋混凝土梁剩余承載性能的試驗研究和數(shù)值計算，建議了三面受火后鋼筋混凝土梁抗剪承載力的實(shí)用計算公式。研究表明，樓板翼緣對梁的抗彎承載力具有一定的提高作用，但對抗剪承載力影響不大。(3) 進(jìn)行了火災(zāi)后混凝土短肢剪力墻抗震性能的試驗研究和數(shù)值計算，建議了四周受火后混凝土短肢剪力墻抗剪承載力的計算公式。研究表明，暗柱和X形暗支撐可提高火災(zāi)后短肢剪力墻的剛度和耗能能力，受火前后短肢剪力墻的滯回規(guī)則明顯不同。(4) 進(jìn)行了高溫下持荷、端部約束對火災(zāi)后短柱抗震性能影響的試驗研究。結(jié)果表明，高溫下持荷可使火災(zāi)后短柱的抗剪承載力較未持荷時升高0.5%~2.3%，高溫下帶軸向約束的混凝土短柱火災(zāi)后的抗剪承載力為對應(yīng)的高溫下無約束時的89.9%~100.4%。(5) 進(jìn)行了外包碳纖維布加固火災(zāi)后混凝土短柱的抗震性能、混凝土梁的抗剪性能的試驗研究。研究表明采用CFRP加固能將火災(zāi)后短柱、梁的抗剪承載力分別恢復(fù)至未受火試件的11.2%~17.1%、5.3%~34.3%，且考慮樓板翼緣的影響，采用“U形包裹 壓條”方式加固混凝土梁可取得較好的加固效果。(6) 利用有限元方法分析了截面含鋼率對溫度場分布的影響規(guī)律，建立了火災(zāi)后鋼筋混凝土柱剩余壓彎承載力的數(shù)值分析方法和實(shí)用計算公式?；赑ark損傷評價模型建議了一種能反映火災(zāi)高溫對短柱、短肢剪力墻抗震性能損傷加大程度的評價指標(biāo)。上述研究成果可為火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評定、抗剪加固奠定基礎(chǔ)，為相關(guān)規(guī)范的編制提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義和明確的應(yīng)用前景。 2100433B

通過預(yù)設(shè)有裂縫的混凝土試件的明火試驗及數(shù)值分析，揭示裂縫面及其鄰近區(qū)域的溫度分布特征，解釋該特征的形成機(jī)理，力求從溫度場角度初步回答裂縫是否會對構(gòu)件耐火性能產(chǎn)生較明顯影響。通過具有不同程度梁端約束和板邊約束的混凝土梁-板組合體的明火試驗及系統(tǒng)參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)相鄰樓板及其邊界約束對端部約束梁火災(zāi)行為的定量影響規(guī)律，建立考慮相鄰樓板時端部約束梁的耐火極限修正系數(shù)實(shí)用估算方法。通過不同火場情景和不同構(gòu)件參數(shù)情況下混凝土框架結(jié)構(gòu)的大量火災(zāi)響應(yīng)分析，揭示梁受熱膨脹引發(fā)的柱端側(cè)移的變化規(guī)律，提出具有一定普適性的柱端側(cè)移的定量預(yù)測公式，進(jìn)而開展具有柱端相對偏移的端部約束混凝土柱的明火試驗及耐火性能分析，基于研究數(shù)據(jù)構(gòu)建考慮柱端相對偏移時端部約束柱的耐火極限實(shí)用確定方法。預(yù)期成果將有助于突破國內(nèi)外現(xiàn)行耐火設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)僅停留于獨(dú)立梁和獨(dú)立柱的局限，進(jìn)而為提升混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計的科學(xué)性做出貢獻(xiàn)。