钢管约束型钢混凝土柱火作用下受力性能分析

为了得到火作用下钢管约束型钢混凝土柱的抗火性能,采用有限元软件ABAQUS建立钢管约束型钢混凝土柱有限元模型、分析ISO-834标准升温条件下构件的温度场分布和耐火极限。研究截面尺寸、荷载比、长细比等因素对构件耐火极限的影响规律。采用试验数据对分析结果进行验证,吻合较好。     

钢管混凝土叠合柱耐火性能研究

为研究钢管混凝土叠合柱火灾下的温度特性和力学性能,进行了4个钢管混凝土叠合柱试件的耐火极限试验,分析了试件在试验中的温度场分布、耐火极限、轴向变形和失效模式;基于ABAQUS有限元分析软件建立钢管混凝土叠合柱温度场和火灾下力学性能分析模型,模型分析结果与试验结果符合较好;在此基础上,利用该模型对影响钢管混凝土叠合柱耐火性能的主要参数进行分析。研究结果表明:钢管外的混凝土显著延缓了热量向钢管及其内部核心混凝土的传递,核心钢管混凝土部分承载力损失较小;由于各部分材料之间的相互作用,延缓了核心混凝土的损伤,避免钢管的局部屈曲,也使得破坏时钢管混凝土叠合柱仍具有较好的整体性;轴压比、截面尺寸、截面核心面积比和长细比是影响钢管混凝土叠合柱耐火极限的主要因素;基于此类参数提出钢管混凝土叠合柱耐火极限的实用计算式,与有限元分析结果和试验结果均符合较好,可为实际工程中该类构件的抗火设计提供参考。     

钢管混凝土十字形截面柱耐火性能试验研究

结合钢管混凝土结构和异形柱结构的特点,提出一种由钢管混凝土芯柱和翼柱构成的钢管混凝土十字形截面柱。为研究该钢管混凝土十字形截面柱结构的耐火性能,完成了5个钢管混凝土十字形截面柱足尺试件在ISO 834标准升温曲线下的明火受火试验,研究了轴压比和防火涂层厚度对该钢管混凝土十字形截面柱在高温作用下的破坏形态、轴向变形和耐火极限等性能的影响规律。结果表明,试件轴压比越大,耐火极限越短;防火涂层厚度越厚,耐火极限提高越明显。通过与现行防火规范计算结果的对比发现,该钢管混凝土十字形截面柱具有良好的耐火性能,在防火涂层厚度为10 mm时,试件耐火极限可以达到190 min。在相同耐火极限下,该钢管混凝土十字形截面柱所需防火涂层厚度约为规范建议的纯钢管柱防火涂层厚度的22%。     

部分预制装配型钢混凝土柱受火后轴压性能试验研究

为研究部分预制装配型钢混凝土(PPSRC)柱在受火后的受压性能,开展了8个足尺PPSRC柱试件在历经ISO 834标准明火试验后的轴压试验和1个未受火PPSRC柱对比试件的轴压试验,研究核心部分混凝土强度、配箍间距及截面尺寸对标准受火条件下试件截面温度-时间曲线、轴压荷载-位移曲线和剩余承载力的影响。结果表明：RPC预制外壳能对内部型钢和核心混凝土起到良好保护作用;箍筋间距、现浇混凝土强度对截面温度场影响不大,型钢保护层越大,截面内部温度升高越慢且最高温度越低;PPSRC柱受火后轴压破坏形态与常温下类似;核心混凝土强度增加,试件承载力增大;箍筋间距减小对受火后试件承载力提高有利。     

相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱抗火性能

为研究相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱的耐火极限,运用ABAQUS建立了ISO 834标准火灾作用下方钢管约束型钢混凝土柱的有限元模型,包括温度场分析模型和耐火极限分析模型,用已有的相关试验进行验证,并分析了截面温度场和力学性能的变化规律。在此基础上分析荷载比、计算长度、型钢含钢率、截面尺寸、混凝土强度等参数对构件耐火极限的影响规律。基于上述规律并结合大量计算结果定量给出了相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱的耐火极限简化计算式。结果表明:荷载比和计算长度对构件耐火极限影响较大,随着荷载比和计算长度的增加,构件的耐火极限呈线性降低; 截面尺寸对构件的耐火极限影响较大,随着截面尺寸的增加,构件的耐火极限呈线性增加; 随着型钢含钢率的增加,构件的耐火极限增加并不明显; 耐火极限计算式计算精度良好,可为相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱抗火设计提供参考。     

不同再生骨料取代率混凝土柱耐火性能试验研究

为研究不同再生骨料取代率混凝土柱的耐火性能,进行了3个足尺再生混凝土柱在竖向荷载和温度场耦合作用下的升温耐火试验.其中,2个试件再生粗骨料取代率为100％,细骨料为天然砂的半再生混凝土柱;1个试件为再生粗、细骨料取代率均为100％的全再生混凝土柱.在试验基础上,比较分析了各试件的截面温度变化、耐火极限、轴向变形、侧向挠度和破坏形态.研究表明:相同轴压比条件下,半再生混凝土柱的耐火极限随着混凝土强度的提高而降低;混凝土强度变化对温度场分布规律影响较小;半再生混凝土柱与全再生混凝土柱相比,混凝土材料性能退化较慢,耐火性能较好.     

四周受火异形截面部分包覆钢-混凝土轴压组合柱耐火性能试验研究

异形截面部分包覆钢-混凝土组合(PEC)柱是解决高层钢结构住宅凸柱问题的有效方法之一，因其型钢翼缘外露，故而抗火问题备受关注。为研究异形截面PEC柱的抗火性能，以截面形式和轴压比为参数设计并制作了4根异形截面PEC柱，开展了恒载升温试验，得到火灾下异形截面PEC柱的破坏模式、竖向与侧向变形-时间关系曲线和耐火极限，并分析其温度场分布与变形规律。研究结果表明：随着火灾下截面损伤增加，L形及T形截面PEC柱逐渐由轴压受力状态分别转为双向及单向偏压受力状态，十字形截面PEC柱仍保持轴压受力状态；在上端球铰和下端单向铰边界条件下，L形截面PEC柱发生双向弯曲失稳，T形截面PEC柱发生平面外弯曲失稳，十字形截面PEC柱发生平面内弯曲失稳；在轴压比为0.4、没有防火保护条件下，L形截面PEC柱耐火极限为41 min, T形截面和十字形截面PEC柱耐火极限分别为32.5 min和29 min;当轴压比由0.4增加至0.55时，十字形截面PEC柱耐火极限降低了28.7%。借鉴EN 1994-1-2中建议的四周受火规则截面PEC柱高温承载力简化计算方法，对异形截面PEC柱高温承载力进行计算，计算结果偏保...     

三面受火高强混凝土柱耐火极限研究

编制了三面受火高强混凝土柱高温全过程分析程序,程序的有效性得到试验数据的验证.利用该计算程序,分析了截面尺寸、轴压比、配筋率、计算长度和荷载偏心率等参数对ISO 834标准升温过程作用下三面受火高强混凝土柱耐火极限的影响规律.针对三面受火高强混凝土柱的不同截面尺寸、轴压比、配筋率、计算长度和荷载偏心率共4800种工况进行了高温反应分析.在此基础上,定量给出了该类构件耐火极限的实用计算方法.结果表明:严格控制轴压比和偏心率是提高三面受火高强混凝土柱耐火极限的有效措施.     

受约束预应力混凝土空心板整浇楼面耐火极限试验研究

为分析不同持荷水平下受约束预应力混凝土空心板整浇楼面的耐火极限变化规律,进行了3块受约束预应力混凝土空心板整浇楼面试件的耐火极限试验研究。结果表明:未受火对比试件与受火试件均发生弯曲破坏;持荷比分别为0.3和0.5的试件的耐火极限分别为132 min和73 min,即试件的耐火极限随着持荷比的增加而显著降低;试件内部温度升高存在明显的滞后,截面形成不均匀温度场,呈层状分布;预制空心板孔洞内的温度明显高于相同位置混凝土测点的温度。采用ABAQUS软件对受约束预制空心板整浇楼面试件的截面温度场和不同持荷比下耐火极限进行了数值模拟,结果表明提出的有限元模型能够较准确地预测试件的温度场分布和耐火极限。     

异形钢管混凝土柱的耐火性能研究

建立圆形、正方形、圆端形、六边形钢管混凝土柱在火灾下的有限元模型,利用现有试验结果验证有限元模型.基于该模型,研究保护层种类、保护层厚度、截面形状和截面周长等参数对钢管混凝土柱耐火极限的影响.分析表明,试件耐火极限随着保护层厚度和截面周长的增加而增大.厚涂型涂料的防火效果优于砂浆的防火效果.在长细比和截面周长相同的情况下,圆端形钢管混凝土柱的耐火极限高于圆形钢管混凝土柱;六边形钢管混凝土柱的耐火极限优于方钢管混凝土柱;绕强轴破坏的耐火极限略低于绕弱轴破坏的情况.基于周长等效原则,可将圆端形(或六边形)钢管混凝土柱视为圆形(或正方形)钢管混凝土柱进行抗火设计.     

双钢管混凝土复合柱的耐火性能及参数影响分析

双钢管混凝土复合柱在普通钢管混凝土柱基础上设置了内部钢管,由于内管受到外层混凝土的高温保护,因此其耐火性能得到改善。文章通过精细化数值模拟方法对此类双钢管混凝土复合柱的耐火性能开展研究,全面分析了内管径厚比、外管径厚比、内外管直径比等参数的影响,并且对比分析了在相同的含钢率条件下不同截面组合型式（内圆外圆、内方外圆和内圆外方）双钢管混凝土短柱的耐火极限。结果表明：在直径不变时增大内钢管的厚度以及在厚度不变时增加内钢管的直径,都有利于耐火极限的提高;在保持整体含钢率不变的条件下,不同截面组合形式的双钢管混凝土柱耐火极限相差不大,但总体上双圆钢管混凝土短柱的耐火性能偏优;另外,双钢管混凝土复合柱的耐火性能比普通钢管混凝土柱有较大提高。     

轴向约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能,以荷载比、偏心率和含钢率为参数,开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式,研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时,施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱,高温下柱首先缓慢膨胀,然后逐渐压缩破坏;由于轴向约束分担了柱的竖向荷载,压缩变形随时间变化较为缓和,轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱,高温下其膨胀变形大于轴心受压柱,且膨胀变形先增加再减小;轴向约束增加了柱的竖向荷载,缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著,荷载比越大,耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时,偏心率越大,柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加,会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

Fire performance of axially restrained steel reinforcedconcrete columns

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能，以荷载比、偏心率和含钢率为参数，开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式，研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时，施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱，高温下柱首先缓慢膨胀，然后逐渐压缩破坏；由于轴向约束分担了柱的竖向荷载，压缩变形随时间变化较为缓和，轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱，高温下其膨胀变形大于轴心受压柱，且膨胀变形先增加再减小；轴向约束增加了柱的竖向荷载，缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著，荷载比越大，耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时，偏心率越大，柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加，会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱轴压及耐火性能试验研究

为了在不增加用钢量的前提下,明显改善钢管混凝土柱的耐火性能,同时确保其常温轴压性能基本不降低,针对内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱,开展了6根短柱(边长300 mm、高度900 mm)的轴压试验以及3根足尺柱(截面边长320 mm、高度3 770 mm)的耐火试验,研究了废旧混凝土块体取代率(0、30%)、角钢强度等级(Q345、Q690)、角钢至钢管净距(10、20、30 mm)等因素对柱轴压性能的影响,分析了内置高强角钢、角钢至钢管净距(10、30 mm)等因素对柱耐火性能的影响。研究表明:在总用钢量基本不变的情况下,通过适当减薄钢管并在管内设置高强角钢且二者之间预留一定净距,可使方钢管再生块体混凝土柱的耐火极限提高了200%以上;同时,其轴压承载力和延性指标都有所提高,初始刚度基本不变或有所提高;在用钢量完全相同的情况下,适当增加高强角钢至钢管内壁的净距可使柱的耐火极限进一步提高,而轴压承载力变化不大;针对该类柱改进的轴压承载力实用计算方法,计算结果与试验结果之间的偏差较小。     

超高强混凝土型钢组合柱抗火性能试验研究

为研究型钢保护层厚度、柱截面尺寸、荷载比、长细比和箍筋间距对超高强混凝土型钢组合柱高温承载力的影响,开展了14根纤维增强120MPa混凝土型钢组合柱在ISO 834标准升温曲线下的承载力试验。组合柱高温破坏现象和竖向位移历程表明：体积掺量0.15%的聚丙烯纤维能够有效防止超高强混凝土的高温爆裂;随着长细比的增加,组合柱从截面强度破坏转变为屈曲破坏。总体上,竖向位移历程曲线可分为受火初期膨胀阶段、后继的压缩变形稳定增长阶段和破坏前的压缩变形急剧增长阶段。纤维增强120MPa混凝土型钢组合柱的耐火极限随着长细比和荷载比的增加而降低;随着截面尺寸和型钢保护层的增加而增长;双肢箍间距在80~150mm范围变化,对耐火极限的影响较小。对比耐火极限的试验值和EN 1994-1-2及规程DBJ/T 15-81—2011简化计算方法的建议值发现,EN 1994-1-2的计算值低于试验值30%~186%,规程DBJ/T 15-81—2011的计算值与试验值偏差为-49%~16%。因此,现行规范不适用于预测120MPa混凝土型钢组合柱的耐火极限。     

Experimental research on seismic behavior of steel reinforced concrete cross-shaped column

为了研究钢-混凝土组合十形柱的抗震性能,设计了6个钢-混凝土组合十形柱和1个普通钢筋混凝土十形柱并进行低周反复加载试验,得到其荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,并分析其承载力和延性等抗震性能指标,研究配钢形式和轴压比对其抗震性能的影响。研究表明：与普通钢筋混凝土柱相比,钢-混凝土组合十形柱的滞回曲线更为饱满,承载力、变形能力和延性均有显著提高;“T形钢+方钢管”配钢试件在承载力、变形能力和延性等方面均优于实腹式配钢试件;当轴压比在0.19~0.34之间增加时可以提升试件的延性,当轴压比增大至0.34以后,延性开始下降;和实腹式配钢试件相比,“T形钢+方钢管”配钢试件中型钢的作用发挥得更合理,抗震性能更优。     

钢管钢纤维高强混凝土短柱轴心受压试验研究

对7根圆钢管钢纤维高强混凝土短柱和3根圆钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验,研究钢纤维掺量、含钢率和混凝土强度等级对钢管钢纤维高强混凝土短柱受力性能的影响。研究结果表明：随着钢纤维体积掺量的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的延性逐渐增大,承载力略有提高;随着含钢率的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力和延性均增大;随着混凝土强度等级的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力增大,延性逐渐降低;掺入钢纤维对钢管高强混凝土短柱的破坏模式几乎没有影响。最后给出了钢管钢纤维高强混凝土短柱承载力计算式。     

Experimental study on the static performance of steel reinforced concrete columns with high encased steel ratios

The static performances of 12 steel reinforced concrete (SRC) columns with high encased steel ratios subjected to biaxial bending and axial loadings are studied experimentally. The main design parameters of the specimens in this experiment are the encased steel ratio, axial compression ratio, and shape distribution of the encased steel section. The crack formation, failure processes, bearing capacity, and ductility of the specimens are investigated in detail. The experimental results show that the increased encased steel ratio results in the increased bearing capacity and ductility of the specimens. Furthermore, the stiffness of the specimen degenerates gradually beyond the peak point with an increase in the axial compression ratio. In addition, a more extensive shape distribution of an encased steel section has a positive influence on the ductility of the specimen. A comparison of the yield and peak bearing capacities between the experimental results of this study and the predictions according to Eurocode 4 also highlights that Eurocode 4 would underestimate the bearing capacity of SRC columns with high encased steel ratios because it ignores the confinement of concrete provided from the steel section and hoops and it employs a conservative prediction approach for the simplified axial load‐bending moment curve.     

Finite element analysis of concrete-filled circular steel tubular columns subjected to post-earthquake fire

为研究圆钢管混凝土柱经历地震损伤后的耐火性能,选取了合理的地震损伤指数及材料本构模型,采用有限元分析软件ABAQUS,对钢管混凝土柱在往复荷载和火灾等不同工况下的试验进行了数值模拟验证。在验证模型可靠性的基础上,利用ABAQUS中的数据传递功能,建立了震损后圆钢管混凝土柱耐火极限有限元计算模型。以圆钢管混凝土典型轴心受压柱为分析对象,对其先后经历地震和火灾作用下的破坏形态、损伤机理进行了分析,研究了损伤指数对圆钢管混凝土柱震后耐火极限的影响。结果表明：震损后圆钢管混凝土柱在高温下的破坏形态是在前期地震损伤基础上的发展和蔓延;地震损伤指数是影响圆钢管混凝土柱震后耐火极限的重要参数,随着地震损伤指数增大,圆钢管混凝土柱的耐火极限有所减小。     

Numerical simulation of mega steel reinforced concrete columns with different steel sections

In recent years, the mega steel reinforced concrete (SRC) columns have been applied in super‐tall buildings. The previous research on SRC columns mainly focuses on the components with simple arrangement of encased steel, such as H‐shaped steel and cross‐shaped steel, with little attention paid to mega SRC columns that always have complicated encased steel and large steel ratio. The cyclic loading tests were carried out on scaled mega SRC column specimens with different cross‐section type of encased steel and steel ratio. The nonlinear three‐dimensional finite element and fiber element models were established respectively to simulate the inelastic behavior of mega SRC columns. The equivalent plastic strain of concrete, steel and rebar as well as the confinement effect on the concrete caused by the rebar and the steel plate were analyzed subsequently. By using the verified numerical model, the seismic behavior of specimens with different axial compression ratio was also studied. The test and analysis results indicate that the steel ratio and axial compression ratio have significant effects on the seismic performance of mega SRC columns, while the effect of cross‐section type of encased steel is not significant. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.