【毕业学位论文】高温下圆钢管自密实混凝土柱抗火性能研究-结构工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目 高温下圆钢管自密实混 凝土柱抗火性能研究 学科、专业 结 构 工 程 研究生姓名 张 丽 霞 导师姓名及 专业技术职务 余志武 教授 二八年五月 硕士学位论文 摘要 I 摘 要 钢管混凝土结构由于良好的受力性能在土木工程中得到广泛应用。 目前国内外学者对高温下钢管混凝土的研究大部分集中于对高温下钢管普通混凝土的研究， 而对高温下钢管自密实混凝土的研究相对较少。 本文针对高温下圆形钢管自密实混凝土柱的抗火性能进行了试验研究和理论分析，具体研究内容如下： 1、采用合理的高温下钢材和混凝土的热工性能参数，较详尽地讨论了温度场的计算方法。采用 模研究本文试验中带保护层钢管混凝土柱的钢管表面温度场， 理论计算结果与试验结果吻合较好。 2、进行了 11 根圆钢管自密实混凝土柱的高温抗火性能试验研究，主要测量钢管表面的温度场、 构件轴向变形和跨中侧向位移随时间的变化关系；分析了各种因素对耐火极限和轴向变形、跨中侧向位移曲线的影响规律。 3、采用基于普通钢管混凝土柱抗火性能的钢材和混凝土的高温力学性能及其热 利用 模模拟了高温下钢管混凝土柱的轴向变形和跨中侧向位移随时间的变化关系， 并与钢管自密实混凝土柱的试验结果进行对比分析。 4、采用上述 型分析了含钢率、荷载偏心率、轴压比和防火保护层厚度对高温下钢管混凝 土柱耐火极限的影响规律。 关键词： 钢管混凝土柱，温度场，抗火性能，非线性，有限元 硕士学位论文 摘要 ue to on on on a of at of as (1) On of of of is to on of of (2) on of of of of on of is It of (3) on of is to of of of (4) on of on is It of 硕士学位论文 摘要 士学位论文 目录 录 第一章 绪论 .钢管混凝土的特点 .钢管混凝土的发展和应用 .钢管混凝土抗火研究现状 . 国外的研究状况 . 国内的研究状况 . 目前研究中存在的问题 .研究思路及主要内容 .二章 钢管混凝土柱截面温度场理论分析 .引言 .高温下材料的热工性能 . 高温下钢材的热工性能 . 高温下混凝土的热工性能 . 高温下防火保护材料热工性能 .传导方程及其定解条件 . 热传导方程 . 定解条件 .温度场的求解方法 . 单元划分和温度场的离散 . 温度插值函数 . 温度场单元变分计算 . 温度场的总体合成 . 线性方程组的求解 .钢管混凝土柱温度场数值分析 . 模 . 结果分析 .本章小结 .三章 高温下钢管自密实混凝土柱抗火性能试验研究 .引言 .试验研究概况 .士学位论文 目录 V 试件设计及试验内容 . 试验装置介绍 . 测量内容及方法 . 试验步骤 .试验结果与分析 . 试验现象 . 高温下钢管表面温度场 . 高温下构件的轴向变形 . 高温下构件的跨中挠度 .参数分析 . 耐火极限影响因素分析 . 轴向变形曲线影响因素分析 . 跨中挠度曲线影响因素分析 .本章小结 .四章 高温下钢管混凝土柱非线性有限元分析 .引言 .钢材的高温力学性能 . 热膨胀系数 . 高温下钢材的高温蠕变 . 高温下钢材的本构关系 .混凝土的高温力学性能 . 热膨胀系数 . 压应力作用下混凝土的瞬态热应变 . 高温下混凝土的应力应变关系 .高温下钢管混凝土柱非线性有限元分析 . 元的理论基础 . 元使用 . 非线性方程组的求解和收敛准则 . 计算结果与试验结果对比分析 .耐火极限计算结果的参数分析 .本章小结 .五章 结论与展望 .结论 .士学位论文 目录 需进一步研究的问题 .考文献 . 谢 .读硕士学位期间参与科研及发表论文情况 .、发表论文 .、参与科研项目 .士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 钢管混凝土的特点 钢管混凝土是继木结构、砌体结构、钢结构和混凝土结构之后的第五大类结构，是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢管结构基础上演变和发展起来的,是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构1。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形截面钢管混凝土结构、 方形截面钢管混凝土结构、圆形钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形截面钢管混凝土结构和圆形截面钢管混凝土结构应用较广，如图 1文主要研究圆形截面钢管混凝土结构。 钢管混凝土钢管混凝 土钢管混凝土(a) 圆钢管混凝土 b)方钢管混凝土 (c) 矩形钢管混凝土 图 1管混凝土的截面形式 实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土构件按受力状态可分为两种形式2： 一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期就共同受力， 如图 1-2(a)所示； 二是外加荷载仅作用在核心混凝土上， 钢管只起对核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱，如图 1-2(b)所示。 钢管混凝土因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质，且充分发挥了钢材和混凝土各自材料的优点。其基本原理为3： （ 1）借助钢管对混凝土的套箍约束作用，使混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力； （ 2）借助内填核心混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态， 从而提高其承载能力。如图 1 硕士学位论文 第一章 绪论 2 钢管混凝土钢管混凝 土(a) 钢管混凝土 (b) 钢管约束混凝土 图 1管混凝土和钢管约束混凝土 (a) 核心混凝土 (b) 钢管 图 1管和混凝土的受力状态示意图 总之，通过钢管和混凝土组合而成的钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点，这也是钢管混凝土组合结构的优势所在。 钢管混凝土结构的主要优点如下4,5,6,7： 1、承载力高 混凝土的抗压强度高， 但抗弯能力很弱； 而钢材， 特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易丧失轴向抗压能力。钢管混凝土在钢管中填入混凝土后，借助钢管的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度；同时，钢管的约束作用，延缓了混凝土的纵向开裂，延缓或避免了钢管过早的发生局部屈曲，提高了钢管的刚度。两种材料相互弥补了彼此的缺点，发挥各自的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载能力。从众多的实验数据可以得出， 钢管混凝土轴向抗压强度比钢管和混凝土单独承载力之和大70%以上。 硕士学位论文 第一章 绪论 3 2、塑性和韧性好 混凝土破坏通常表现为脆性特征。但试验证明：受压钢管混凝土构件中的核心混凝土处于三向受压状态时，材料呈现塑性性状。钢管混凝土破坏时形成显著的鼓曲状态，具有良好的耗能能力和延性，表现出较好的韧性。 钢管混凝土轴心受压试验表明，试件压缩到原长的 3/4，纵向应变达 20%以上时，试件仍有承载力，剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱，但扔保持完整，并未松散，且仍有约 5%的承载力，用锤敲后才粉碎脱落。 3、施工方便，周期短 与混凝土结构相比，钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等一系列工序。而且，在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去混凝土的养护工艺。同时，钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋的作用，因此钢管内无需放置纵筋和箍筋，为混凝土的浇灌与振捣带来很大方便。特别是目前采用泵送混凝土和自密实混凝土等工艺，更可加速钢管混凝土的施工进度。 与钢结构相比，钢管混凝土结构构造简单，焊缝少制作工艺要求也可适当降低。由于空钢管比钢构件和钢筋混凝土预制件的自重轻，因此现场吊装、运输费用都可大大减少。而且采用钢管混凝土也为逆作法施工提供条件，地上、地下同时进行施工可节省地下基础与地下室施工时间，并为现场施工带来很大方便。 另外，在北方寒冷地区，还可以在冬季安装空钢管组成的框架或构架，开春后浇灌混凝土，从而争取时间，加快建设速度，施工不受季节的限制。 4、耐火性能较好 由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。钢管混凝土的耐火性能比钢结构的好， 一般我们对钢管混凝土采用的防火措施就是在其表面涂一层防火涂料。 经实验计数据表明:达到一级耐火3小时要求与钢柱相比可节约防火涂料1/3甚至更多。随着钢管直径增大，节约涂料也越多。 另外，火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土结构的强度和刚度得到不同程度的恢复，结构的力学性能和整体性与高温状态时比有较大程度改善，且完整性和可修性远远高于同等条件下的钢结构和钢筋混凝土结构。 不仅使得高温后建筑结构的拆除重建率大大降低，具有十分明显的经济效益，而且对结构的维修和加固补强的工作量大为减少， 并在降低维修和加固费用的同时减少了自然资源的浪费，也具有十分明显的社会效益。 硕士学位论文 第一章 绪论 4 5、经济效益好 钢管混凝土作为一种较合理的结构形式， 采用钢管混凝土可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜力，使材料得到更为充分和合理的应用。因此，钢管混凝土结构，特别是钢管高强和超高强混凝土结构在造价、耗材、施工等方面的综合经济效益显著。 由于钢管混凝土的抗压承载力高，同样荷载下柱子截面尺寸很小，所以可以大大增加建筑有效使用面积。如深圳赛格广场大厦，截面为16008用要设计成钢筋混凝土柱，则为2200400面面积增大一倍以上。该工程由于采用钢管混凝土，与钢筋混凝土柱相比，多了3000的使用面积，同时省去了大 量混凝土，减轻自重60%以上；和钢柱相比，虽然增加了自重，但在柱子所占空间相差不大的情况下，耗钢量节约50%以上。 大量工程实践表明，对钢管混凝土结构和传统混凝土结构、钢结构进行对比经济分析，同等承载力条件下，钢管混凝土柱 比普通混凝土柱节约混凝土 50%以上，减轻结构自重50% 左右，而耗钢量基本相等，同时几乎省去全部的模板；与普通钢结构相比，节省 50%以上的钢材，造价显著降低。 6、抗震性能好 混凝土的脆性相对较大，在钢管混凝土中，混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有较大的塑性变形。同时，钢管混凝土在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有较大的韧性，因而抗震性能好。 钢管混凝土用于高层建筑时，可不受轴压比的限制而由长细比进行控制，与钢筋混凝土柱相比，柱截面可大大减小，自重也随之减小，使得地震作用对结构产生的反应也减小。同时钢管混凝土本身具有良好的抗震性能，圆钢管混凝土任意轴均为对称轴，在各个方向的惯性矩、强度均相等，因此它非常适合受不确定方向地震作用、风载作用的高层建筑。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同。 但在一些建筑中， 钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，且还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。 据有关资料分析， 高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少 1/31/2，地震作用可以减小一半，相当于设防烈度下降一度。 硕士学位论文 第一章 绪论 5 钢管混凝土的发展和应用 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。最早采用钢管混凝土结构的工程之一是 1879 年英国的赛文( 路桥的桥墩，当时在钢管内填充混凝土除承受压力外也用来防止钢管锈蚀，随后钢管混凝土结构又被应用在单层或多层工业厂房的结构柱。 但在早期的应用中一般不考虑组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土 之间的相互作用对承载力的提高作用。 对钢管混凝土的力学性能进行较为深入的研究及这类结构被大范围推广应用主要是在20世纪60年代以后。在西欧一些国家，如英国、德国和法国等，主要研究圆钢管混凝土、 方钢管混凝土和矩形钢管混凝土， 核心混凝土为素混凝土，或在核心混凝土中配置钢筋或型钢。 目前的设计规程主要是欧洲规范 994)，德国规范 997)等；美国以研究圆钢管混凝土 和方钢管混凝土为主，核心混凝土为素混凝土， 设计规程主要有: 979)994)；在日本，主要研究圆钢管混凝土、方钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝土或配筋混凝士，目前的设计规程主要有 980， 1997)；澳大利亚和加拿大等国的学者还对薄壁钢管混凝土结构进行了深入系统的研究； 此外还有韩国目前已编制了自己的设计规程8。 我国是在 60 年代开始研究钢管混凝土的，主要集中在钢管中灌素混凝土。1978 年钢管混凝土第一次被列入国家科学发 展规划，此后无论是在科研，还是设计施工与工程应用都得到了快速发展。特别 是近十几年取得了令人瞩目的成就，已颁布了几个设计规程：钢管混凝土结构设计与施工规程 (9)、钢管混凝土结构设计与施工规程( 90)、钢一混凝土组合结构设计规程( 999)和 战时军港抢修早强型钢一混凝土组合结构设计规程( 001)。此外，中国标准化协会正在组织编制矩形钢管混凝土结构技术规程。目前，钢一混凝土组合结构已被列入国家科技成果重点推广项目。随着理论研究的深入和设计规程的颁布，钢管混凝土被广泛地应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种构架、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构，近 10 年又被用于桥梁结构、高层和超高层建筑中。 硕士学位论文 第一章 绪论 6 钢管混凝土抗火研究现状 国外的研究状况 在英、德、加拿大、卢森堡和澳大利亚等国，从20世纪60年代就开始对钢管混凝土在火灾下的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究， 取得了一系列可喜的成就，并制定了专门的设计规程。目前国际上钢管混凝土的主要设计规程有：美国的 9， 979)和 994)；日本的 980， 1997)；欧洲的 996)；德国的 997)等。 1985）采用有限元方法和纤维模型法分别计算了圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱截面温度场分布和构件的耐火极限9。 （ 1998）对钢管混凝土柱的耐火极限进行了计算，并给出了核心混凝土中配置钢筋的钢管混凝土柱耐火极限设计曲线10。 1988b）报道了两个核心混凝土圆柱体强度为 90钢管混凝土柱耐火极限的实验结果，其中一个试件的核心混凝土中还配置了钢纤维。为了考查混凝土强度的影响规律，进行了两个钢管普通混凝土柱耐火极限的对比实验，火灾时作用在柱构件上的荷载比为 究结果表明，通过在高强混凝土中配置钢纤维可以有效的提高钢管高强混凝土柱的耐火极限11。 1990) 和 (9941994， 1994)给出了各种截面形状的钢管混凝土柱防火保护设计方法。 钢管中可以采用素混凝土、配置钢管或钢纤维的混凝土12,13。 O（ 1991）提出了一种计算钢管混凝土柱耐火极限和荷载变形关系的数值计算方法，并对大量实验结果进行了验算，理论计算结果和实验结果基本吻合14。 1991）采用数值方法计算了圆钢管混凝土柱，钢管核心为素混凝土和配筋混凝土，理论计算结果和实验结果基本吻合15。 1994）报道了两个在核心混凝土中配置钢筋的圆钢管混凝土柱耐火极限的实验结果。研究结果表明，通过在核心混凝土中配置钢筋，可大大提高钢管混凝土柱的耐火极限。该文采用有限差分法计 算了钢管混凝土柱横截面的温度场，并利用纤维模型法计算了钢管混凝土柱的耐火极限，理论计算结果与实验结果基本吻合16。 1997， 1999， 2000）采用数值方法计算了钢管混凝土柱的耐火极限，并提出了一种计算圆钢管混凝土柱耐火极限的简化方法1719。 2000）研究了核心混凝土强度达到 95钢管高强混凝土柱耐火极限，考察了核心混凝土强度对钢管混凝土柱耐火极限的影响。研究结硕士学位论文 第一章 绪论 7 果表明，随着混凝土强度的提高，钢管混凝土柱的耐火极限有提高的趋势20。 1988） 、 1990， 1992）先后报道了 38 个圆形和6 个方形截面钢管混凝土柱耐火极限的实验结果。圆形构件截面外直径为 104406方形构件截面外边长为 152 305构件计算长度为 2000 4000凝土圆柱体强度为 20 40材屈服极限为 300 350验时作用在构件上的荷载比大致在 钙质混凝土和硅质混凝土两种情况进行了实验研究。 通过实验结果的分析发现， 混凝土骨料类型对耐火极限有一定的影响，即钙质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性小， 而硅质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性相对较大。 1994）基于上述实验结果，提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝 土柱耐火极限的简化计算公式。 利用有限差分法求解钢管混凝土截面温度场分布， 然后利用数值分析方法计算钢管混凝土轴压构件的耐火极限， 计算时， 不考虑钢管和核心混凝土之间的相互作用，即钢管和核心混凝土按单向受力考虑。 计算获得的耐火极限与试验值相比偏于保守，且误差较大2123。 1999）提出了一种可以计算圆钢管混 凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化公式。 该公式中考虑了火灾作用在构件上荷载的大小、 混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响，简化计算公式得到实验结果验证24。 （ 1999）对内填圆柱体强度达 86 117圆钢管混凝土和方钢管混凝土压弯构件的耐火极限进行了实验研究。实验时，构件沿长度约有一半的截面直接承受按 834 升温的火灾作用。实验时作用在构件上的轴力比较小25。 （ 2000）报道了 8 个圆钢管混凝土和方钢管混凝土轴心受压柱在准火灾作用下耐火极限的实验结果，并提出 了一种计算耐火极限的数值方法26。 . 等（ 2002）采用神经网络模型，在确定钢管混凝土柱各实验参数及耐火极限的情况下，利用学习样本对神经网络进行训练，并预测耐火极限，是结构中一种新的耐火极限分析方法27。 . 等（ 2004）建立了火灾下钢管混凝土柱的三维非线性有限元模型，并通过热量和应力分析确定了火灾下钢管混凝土柱的抗火性能。这种方法被用来进一步研究同时承受轴压荷载、 弯曲荷载和标准火灾作用的钢管混凝土梁柱的弯矩 8。 2005）分别分析了内填普通混凝土的 钢管混凝土柱和内填高强混凝土的钢管混凝土柱的抗火性能， 并讨论了火灾下钢管高强混凝土柱抗火性能的主硕士学位论文 第一章 绪论 8 要影响因素29。 P. 等（ 2006）应用“ 序，进行了火灾下钢管高强混凝土柱抗火性能的数值分析，考虑的主要参数包括长细比、荷载偏心率、混凝土抗压强度和截面形状30。 （ 2007）报道了 16 根空心钢管混凝土轴心受压柱分别在 准火灾作用下和普通环境下的性能的实验结果， 为理论分析提供了实验依据31。 J. （ 2008）应用有限元软件 立了火灾作用下钢管混凝土柱温度场和结构分析模型，讨论了空气缝隙、钢管和混凝土界面相对滑移对钢管混凝土柱温度场和结构性能的影响， 以及混凝土抗拉强度和钢管混凝土柱初始缺陷对钢管混凝土柱抗火性能的影响程度。通过将计算结果和 34 根标准火灾作用下钢管混凝土柱抗火性能的实验结果进行对比 ，可以证明有限元模型的正确性32。 综上所述，国外学者进行钢管混凝土耐火性能试验研究时，针对的都是轴压比较小的情况。在进行理论分析时，一般都忽略了钢管及其内部核心混凝土之间的相互作用，钢材和混凝土按单向应力状态考虑，理论计算结果大都偏于保守。进行钢管混凝土柱抗火设计时，由于考虑到劳动力较为昂贵等因素，大都采用在核心混凝土中配置钢筋或钢纤维， 或通过降低柱子的轴压比的方法提高构件的耐火极限。 国内的研究状况 由于钢管混凝土结构在我国是一种新型结构，在已建成的建筑结构中，有的按照钢筋混凝土结构的规范要求外包混凝土进行防火， 有的按照钢结构的规范要求涂防火涂料，这些方法虽然也可能保证结构的防火要求和结构的安全性，但大都偏于保守，因而造成不必要的浪费，并且缺乏科学性和统一性，无法大范围推广。 近年来，国内学者对圆形、方形和矩形钢管混凝土构件的耐火性能进行了大量的理论研究和试验研究，取得了一系列的成果。 从 1995 年开始，哈尔滨工业大学(原哈尔滨建筑大学)在国家自然科学基金委员会的资助下，与公安部天津消防科学研究所合作，确定了高温下组成钢管混凝土的钢材以及核心混凝土热力学性能的应力一应变关系模型。在此基础上，采用纤维模型法， 分析了圆、 方和矩形钢管混凝上柱火灾作用下的荷载一变形曲线，获得了耐火极限理论计算结果，并和已有的国内外的试验结果进行了对照，结果符合得令人满意。针对国内外以往进行过的试验研究状况，进行了一系列的火灾硕士学位论文 第一章 绪论 9 作用下钢管混凝土柱耐火性能的试验研究。 徐蕾、韩林海等33确定了高温下组成方钢管混凝土的钢材和核心混凝土的应力应变关系模型， 在核心混凝土的应力一应变关系模