钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架结构温度场试验研究

对4榀单层单跨的圆形钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁带楼板组合框架在火灾下的温度场进行试验,研究组合框架中的钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁温度场分布的特点,并对比不同防火涂料厚度、不同梁高等情况下的温度-受火时间关系曲线。最后采用有限元方法计算了组合框架的温度场,结果表明,计算结果和试验结果总体上较为吻合。     

单层单跨钢框架抗火性能的试验研究

本文对2榀H型钢单层单跨钢框架进行抗火性能的试验研究。试验采用足尺试件,钢梁长3400mm,钢柱高3200mm,混凝土板宽1000mm。试验中考虑不同受火工况对钢框架抗火性能的影响。通过试验得出了梁、板、柱温度场变化规律和钢框架变形情况。试验结果表明:火灾下,由于钢筋混凝土板的存在,钢梁沿截面高度各点温度不一致,即钢梁沿截面高度存在温度变化的温度场;梁柱全部受火的单层单跨钢框架(节点受到保护)破坏方式为钢柱压屈破坏,破坏位置在受到保护的钢节点下部的钢柱上。本文研究结果为今后钢结构抗火性能的进一步研究提供参考数据。     

钢筋混凝土框架抗火性能的有限元分析

基于简化的固体可燃物燃烧模型,利用FLUENT对单室房间进行了火灾模拟,得到了烟气温度场分布情况。在此基础上,分析对比了钢筋混凝土框架在三种不同高度的跨层发生火灾下的温度场分布及变形规律。结果表明:在相同火灾荷载的情况下,火灾发生在高度越低的跨,整个框架结构破坏坍塌的越快;底跨层受火时,柱的侧向位移最小,高跨层受火时,柱的侧向位移最大;混凝土板是最早遭到破坏的,但混凝土柱的破坏才会导致整个框架的失稳坍塌。     

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。     

火灾下钢筋混凝土平面框架结构受力机理分析

为研究火灾下钢筋混凝土框架结构的受力机理,采用梁单元建立了钢筋混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型,考虑火灾位置、柱轴压比和梁配筋率等参数的影响,对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限进行了参数分析。分析结果表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态：当柱轴压比较小时,框架出现受火梁破坏导致的框架局部破坏形态;当柱轴压比和梁配筋率均较大时,框架出现受火中柱和受火边柱破坏导致的框架整体破坏形态,整体破坏形态为连续性倒塌破坏。在框架局部破坏形态条件下,三面受火梁在框架竖向分布位置不同,受约束作用不同,框架的耐火极限亦不同;而在框架整体破坏条件下,柱轴压比越大,耐火极限越小。     

局部火灾下多层钢-混凝土组合平面框架抗火性能分析

采用考虑高温蠕变的钢材热-力耦合本构关系及考虑高温徐变和瞬态热应变的混凝土热-力耦合本构关系模型,利用ABAQUS有限元分析软件建立火灾下钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁等构件以及节点和单层单跨框架结构的温度场和结构抗火分析的有限元分析模型,计算结果得到已有试验结果的验证。在此基础上设计一榀3层3跨钢-混凝土组合平面框架模型,建立局部火灾下该平面框架的温度场与结构抗火性能分析模型,研究局部火灾下钢-混凝土组合平面框架的抗火性能并分析其失效模式,对该平面框架的耐火极限、梁柱变形规律及柱底截面内力变化规律进行分析,并对是否考虑钢梁与混凝土板相互作用对框架梁抗火性能的影响进行研究,对梁先失效模式下框架梁与简支梁、固支梁的抗火性能进行对比分析,对柱先失效模式下钢管混凝土框架柱与两端固支钢管混凝土单柱的抗火性能进行对比分析。结果表明:梁先失效模式下考虑钢梁与混凝土板的相互作用可以充分发挥钢-混凝土组合梁的抗火性能,框架梁的抗火性能要优于简支梁且接近并略低于固支梁,柱先失效模式下两面受火时单个钢管混凝土边柱的抗火性能为框架边柱抗火性能的上限,两面受火与四面受火时单个钢管混凝土中柱的抗火性能与相应框架中柱的抗火性能较接近。     

高温下组合钢框架应力响应非线性分析

火灾高温对结构钢的材料性能有显著的影响,尤其是对钢结构材料的力学性能影响更加明显,因此而导致结构整体承载能力的显著变化。利用有限元软件ANSYS建立一榀两层两跨钢-混凝土组合梁和钢柱构成的组合钢框架有限元模型,对其在火灾高温下的温度分布和应力响应进行分析。结果表明,受火梁、柱截面温度非均匀分布,非线性变化;梁柱节点是组合钢框架的薄弱环节;受火组合梁内全过程为压应力,未达到屈服应力。     

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.     

火灾下箱形钢柱组合门式框架性能分析

利用ANSYS有限元对梁柱三面受火无侧移单层单跨箱形钢柱组合框架受火后的性能进行数值模拟分析,得出了组合梁和钢柱温度场变化规律及框架受火后的变形和内力情况。分析表明:梁、柱沿截面高度、宽度方向均存在变化的温度场,温度梯度随受火时间的增加先逐渐增大后逐渐减小,且升温速度越快其最大值出现越早;三面受火的单层单跨箱形钢柱组合框架典型破坏模式为钢柱平面内对称屈曲破坏,破坏位置位于节点下部1.0~1.2倍钢梁高处;约束轴力是影响组合梁弯矩变化的关键因素。     

混凝土组合构件耐火性能试验研究

利用自行设计的火灾燃烧炉对混凝土T型组合构件的耐火性能进行试验研究。试验持续120 min,观察火灾后构件表观现象并测量火灾过程中组合构件内部温度变化,得到火灾下混凝土板、墙组合构件的内部温度场分布规律及其高温损伤情况。结果表明：火灾下组合构件墙体受火面位置处更容易出现混凝土剥落现象,应在该位置处采取施作防火涂料等防火措施来减轻火灾高温的影响;组合构件节点核心区的混凝土温度低于其他受火区域的温度,墙板对节点核心区有一定的保护作用;火灾作用下距离混凝土组合构件受火表面越远,其内部温度越低,且其温度开始上升的反应时间越长;组合构件在非受火区域温度整体较低,温度升高的反应时间较长且速度较慢,火灾高温对非受火区域的结构影响较小。     

高性能混凝土框架火灾反应与抗火性能研究

本文从平面框架入手,通过对三榀相同尺寸和相同持荷情况下的单层单跨矿渣高性能混凝土框架结构的火灾试验,研究了高性能混凝土框架结构的火灾反应和抗火性能特点。通过对火灾中框架温度场、位移反应等的分析以及火灾后框架表面裂缝、颜色和残余变形等的对比,分析了不同混凝土强度等级、有无外掺聚丙稀纤维对矿渣高性能混凝土框架结构火灾反应和抗火性能的影响。研究表明,在800℃左右火灾作用下,矿渣高性能混凝土框架结构具有良好的抗火性能,高性能混凝土的强度等级提高对结构火灾破坏前承受变形的能力是有益的;由火灾引起的构件轴向变形和内力重分布导致在梁柱节点存在较大的内力;框架作为超静定结构,梁柱在火灾中的刚度退化情形不一致,对整体结构的抗火性能明显不利;而聚丙稀纤维的掺加增加了火灾中混凝土温度裂缝的产生,但提高了降温时结构的变形恢复能力。     

方钢管混凝土柱-钢梁框架耐火性能分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能。基于有限元方法,分析了GB/T 9978（同ISO-834）加热条件下,带有混凝土楼板的方钢管混凝土柱-钢梁单向螺栓连接框架结构的温度分布、耐火时间和破坏模式,并对有限元模拟结果进行了试验验证,在试验结果基础上采用有限元方法分析了方钢管混凝土柱构件与方钢管混凝土框架柱的耐火极限差异。研究结果表明：与方钢管混凝土框架柱的其他区域相比,方钢管混凝土框架柱节点区的温度相对较低;根据本文建议的框架结构判定准则,当单向螺栓节点连接可靠,随着作用在柱和梁上荷载水平的变化,柱破坏模式和梁破坏模式是方钢管混凝土柱-钢梁框架的主要破坏模式;当框架梁上不施加荷载,只对框架柱起到约束作用,其他条件相同时,方钢管混凝土框架柱的耐火极限大于两端铰接柱构件的耐火极限,但小于一端固接一端铰接支撑柱构件的耐火极限。     

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。     

损伤后混凝土框架结构火灾试验研究

为分析震后火灾环境下混凝土结构的反应,试验设计了3榀足尺单层单跨框架结构,以低周反复水平荷载试验模拟地震动,以框架梁、柱裂缝宽度ω为损伤指标,试件KJ1历经损伤ω=0.5 mm后进行火灾试验,KJ2历经损伤ω=0.1 mm后进行火灾试验,试件KJ3作为对比试验无损伤,直接进行火灾试验。从3榀框架结构的裂缝变化规律、框架柱轴向变形、截面温度场分布、承载力退化等方面进行了对比分析。试验结果表明：损伤后混凝土材料的热传导性能提高,相应截面所经历的最高温度也增高;框架结构的高温变形恢复能力变差,梁截面承载力下降幅度比柱截面大。最后提出了损伤指标与结构抗火性能退化之间的量化关系。     

火灾下钢筋混凝土结构热弹塑性变形分析

为了研究钢筋混凝土结构在火灾作用下的力学性能,利用弹塑性理论,根据材料不同的屈服法则,分别给出了钢筋和混凝土材料考虑温度变形和徐变变形热弹塑性问题的增量本构方程。考虑钢筋和混凝土力学性能随温度的变化,编制程序对钢筋混凝土简支板进行了非线性分析,并利用相关文献的试验结果,对本构方程的正确性和适用性进行了验证。对火灾作用下1榀单层单跨钢筋混凝土框架进行了非线性分析,并给出了部分节点位移随受火时间的变化规律。结果表明,钢筋混凝土结构在高温下会产生很大变形,钢筋混凝土框架梁柱节点位移随受火时间变化的曲线并不是呈单调变化趋势,有拐点存在,梁柱节点竖向位移值小于梁跨中节点值。     

基于实际火灾场景的钢框架结构倒塌机制分析

采用ABAQUS建立无楼板的多层钢框架模型,采用顺序热-固耦合法,综合考虑实际火灾场景下局部火源位置、火源功率变化、非均匀分布温度场及火灾作用下梁柱失效进行分析,研究了在梁柱的受火形式和失效柱位置两种因素影响下钢框架结构的初始破坏机理与倒塌机制。结果表明：钢框架结构的连续倒塌始于受火柱的屈曲失效,与之相连的梁由于失去竖向支撑挠度增大并产生拉力,使内力重分布柱产生侧移,进而在火灾的持续作用下结构位移不断发展,破坏向周围扩散,最终导致结构发生连续性倒塌;当底层失效柱为角柱和边柱时,结构发生倾覆式连续性倒塌;当底层失效柱主要分布在结构对称轴上时,结构发生下沉式连续性倒塌,该类型倒塌发生较为突然。     

高温下钢筋混凝土框架的内力重分布研究

通过钢筋混凝土框架的火灾全过程分析,初步探讨高温下钢筋混凝土框架的内力重分布规律。推导建立了高温下钢筋混凝土的简化梁单元模型,编制了钢筋混凝土框架高温反应的全过程分析程序,程序的正确性得到了其他学者试验结果的验证。选取1榀单层3跨的钢筋混凝土框架,针对不同梁柱线刚度比和不同柱子轴压比的情况分别进行了该框架的高温反应分析,考察了部分控制截面的内力重分布规律。研究结果表明,高温下框架结构产生剧烈的内力重分布,其中框架梁的轴力和梁端弯矩变化尤为剧烈,成为影响框架结构其他控制截面内力变化的主要因素之一;随着梁柱线刚度比和柱子轴压比增大,框架梁的轴向压力逐渐加大。在结构层次上开展钢筋混凝土框架的耐火研究,可更为全面科学地把握不同构件的最不利受力状况。     

高大空间火灾空气升温条件下整体网架抗火性能分析

为了研究网架在高大空间火灾空气升温条件下的抗火性能,结合某正放四角锥网架,采用有限元方法对网架在高大空间温度场下的抗火性能进行模拟分析。火源中心分别选择了3种不同位置对结构进行温度场划分和抗火分析。确定网架结构的耐火极限准则,得到不同工况下结构的极限抗火时间;研究不同工况下结构的内力、位移等响应变化过程及分布规律;同时对比分析各工况下网架结构抗火性能的差异。