学术汇报精简PPT课件

.,1,钢-混凝土组合结构,钢管混凝土结构及其抗火设计研究,.,2,第一讲钢管混凝土结构简介,钢管混凝土结构的特点钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件1、常见分类：a）按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土。目前工程应用最多的几种钢管混凝土构件横截面形式如下：,.,3,除以上截面外还有：圆套方、方套方等,常见几种空心钢管混凝土截面,.,4,b）实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土构件又可分为两种：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，二是外力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，即钢管混凝土约束柱。,.,5,2、钢管混凝土构件的优点在钢管混凝土结构中，保证了薄壁钢管的局部稳定性，不至于发生局部屈曲，而混凝土受到钢管约束，改变了受力性能，变单向受压为三向受压，使混凝土的抗压强度提高几倍。,承载力高,.,6,2、钢管混凝土构件的优点在钢管混凝土中，混凝土受到钢管的约束，混凝土处于三向受力状态，不仅改善了使用阶段的弹性性质，而且破坏时产生较大的塑性变形，试验证明，钢管混凝土受压构件属于塑性破坏。,塑性性能好,.,7,2、钢管混凝土构件的优点钢管混凝土结构同钢结构相比大约可以节省钢材50%左右。同钢筋混凝土结构相比，可以减少混凝土50%左右，用钢量大致相当，减轻自重50%以上，并且由于构件截面尺寸大大减小，增加建筑物的使用面积和有效空间，可见，其经济效益非常显著,经济效益显著,.,8,2、钢管混凝土构件的优点在钢管混凝土结构中，钢管既是模板，又是纵筋和箍筋，为此，可以省去模板的制作与安装，节省脚手架、绑扎钢筋等工序。,施工简单工期短,.,9,2、钢管混凝土构件的优点在钢管混凝土结构中，由于管内混凝土能够吸收大量热能，在遭受火灾时，钢管截面温度场分布不均匀，增加构件的耐火时间，为此，钢管混凝土结构比钢结构具有良好的抗火性能。,抗火性能优越,.,10,2、钢管混凝土构件的优点钢管混凝土结构自重轻，可以减小地震作用，特别是由于钢管的存在增加了结构延性，从而提高构件及结构抗震性能。,抗震性能优越,.,11,第二讲钢管混凝土结构抗火设计一、为什么要进行钢管混凝土构件的抗火设计？1、建筑火灾作为一种常见灾害，一旦发生将有可能导致建筑严重破坏、造成严重的经济损失甚至危及人的生命安全，尤其是高层及超高层建筑中，火灾一旦发生扑灭和救援的难度很大。,.,12,一、为什么要进行钢管混凝土构件的抗火设计？由于建筑火灾发生频率高，给人类和社会带来难以预估的灾难，因此建筑防火已经越来越受到重视。火灾作用下建筑结构材料强度损失大，可能发生整体倒塌，也可能造成严重或轻微破坏，对于没有发生倒塌的建筑，鉴定火灾后建筑物的损伤程度，判定能否继续使用并提出加固修复方案，具有十分重要的意义。,.,13,中央大楼火灾图片,.,14,教师公寓火灾图片,.,15,莱德商厦火灾图片,.,16,一、为什么要进行钢管混凝土构件的抗火设计？2、由于钢管混凝土结构拥有的一系列优点，钢管素混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便和经济效果好等优点，正被越来越广泛地应用于各种类型的建筑结构中，其中圆截面钢管混凝土由于约束效果更好，承载更高等优势在建筑中应用较多。,.,17,例如：大连国际贸易中心：外框柱采用圆形钢管混凝土柱，钢管直径1200mm2000mm，建筑总层数七十八层，地下五层，地上七十三层，建筑总高度325.1m，抗震等级为一级,.,18,广州国际金融中心：总高度432米，主体结构的巨型斜交网格外筒采用钢管混凝土，此建筑物具有足够的抗侧刚度和优异的抗震性能，能有效抵御强风、地震的侵袭,.,19,深圳赛格广场：是我国自行设计和总承包施工的高智能超高层钢管混凝土结构建筑，采用框架筒体结构，建筑总高度355.8m，总建筑共79层，地上75层，地下4层，建筑总面积达17万平方米,.,20,二、钢管混凝土构件的抗火设计研究1、钢管钢筋混凝土耐火性能的研究现状a）国内研究现状我国对于钢管混凝土抗火性能的研究起步较晚。20世纪末，哈尔滨建筑大学（现在哈尔滨工业大学）、福州大学、东南大学等科研单位在考虑了钢管及其内部核心混凝土之间相互作用的基础上，开始对钢管混凝土柱（包括圆形截面、方形截面和矩形截面）的抗火性能进行大量的试验研究和理论分析，取得了一系列可喜的成果，但主要针对的是钢管素混凝土柱。,.,21,2006年，徐蕾、刘玉彬在普通钢管混凝土截面温度场分布及火灾下材料本构关系的基础上，建立了ISO-834标准火灾作用下内配纵向受力钢筋的方钢管混凝土柱耐火极限理论计算模型，利用此计算模型与加拿大学者T.T.Lie和德国学者Hass的足尺寸试验进行了比较，得到了很好的验证。然后利用此模型对影响方钢管钢筋混凝土耐火极限的因素进行参数分析，发现截面尺寸、长细比和配筋率是影响其耐火极限的主要因素。最后回归出方钢管配筋混凝土柱承载力影响系数的简化公式，与试验结果相比，误差均在10%以内，两者吻合良好。,.,22,2009年，吴晓莉、韩金生、程文瀼对3根配筋钢管混凝土长柱和1根普通钢管混凝土长柱进行抗火试验的研究，试验时在柱顶施加恒定轴压荷载，柱两端采用铰支座进行约束。其中混凝土采用C60高强混凝土，钢管采用Q235无缝钢管，纵向钢筋采用HPB400级钢材，炉内升温曲线采用ISO-834国际标准升温曲线。试验结束后发现柱子的破坏形态均为弯曲型，但内配纵筋的钢管混凝土长柱耐火时间比不配钢筋的钢管混凝土长柱耐火时间大很多，而且纵筋数量越多，耐火极限值越大，说明内配钢筋确实对提高试件的耐火极限有很大的帮助。,.,23,2010年郑永乾也建立了火灾下方钢管钢筋混凝土结构理论分析模型，但他在模型中创新性的考虑了钢材的高温蠕变、混凝土的瞬态热应变和高温徐变三者对结果的影响，理论结果与以往试验结果相差不大。在此基础上，分析了钢筋配筋率和钢筋屈服强度对试件耐火极限的影响，结果发现配筋率在1%5%范围内钢管混凝土柱的耐火极限大约提高10%60%；随钢筋屈服强度的增加，试件的耐火极限也随之增加，但增长速度不是很快。,.,24,b）国外研究现状国外从事钢管混凝土柱的抗火研究要早于我国。20世纪90年代，加拿大的一些学者，如T.T.Lie、M.Chabot和V.K.R.Kodur等就开始对钢管混凝土的抗火性能进行研究，起初他们发现没有涂抹防火涂料的钢管素混凝土柱耐火极限值很小，构件的承载力损失很严重，一般情况下很难达到耐火极限的要求。,.,25,1994年，T.T.Lie对2根长3800mm，直径273.1mm，核心混凝土内配置4根直径19.5mm纵向钢筋的圆截面钢管混凝土柱进行耐火极限的试验研究。研究表明：在核心素混凝土中填充钢筋，钢管混凝土极限承载力损失较小，可大大提高钢管混凝土柱的抗火时间，满足耐火极限的要求。1998年，Kodur对内填钢纤维的钢管混凝土柱进行分析，包括耐火极限的理论分析与试验研究，对影响圆钢管钢纤维混凝土柱耐火极限的主要因素如截面直径、钢管壁厚、荷载水平、构件有效长度、混凝土强度和混凝土骨料类型等因素进行了详细的分析。,.,26,2001年，Baba对12根（8根圆形截面和4根矩形截面）足尺钢管钢筋混凝土柱进行耐火极限试验研究。实验结果表明：火灾作用下，钢管配筋混凝土柱的极限承载力可以简单的看成是由核心混凝土、纵向钢筋、箍筋三者承载力之和组合而成。2004年K.H.Tan先对火灾作用下61根配筋钢管混凝土柱和95根不配筋钢管混凝土柱进行轴压和偏压的试验研究，然后通过考虑温度的不均匀分布以及火灾作用下材料强度的损失对试件承载力的影响，最后提出了火灾作用下剩余承载力的简化方法，该方法的计算结果与试验结果对比，吻合良好。,.,27,2、钢管钢筋混凝土火灾后性能的研究现状钢管混凝土柱在火灾后具有较好的整体性和较高的剩余承载能力，可修复性较强，因此很有必要研究其火灾后的力学性能和工作行为，进而为制定合理的火灾后修复加固措施提供理论和试验依据。目前我国针对火灾作用后钢管混凝土的力学性能的研究大多数集中在钢管中浇注素混凝土的内填型钢管混凝土，对于核心混凝土内配受力钢筋的钢管钢筋混凝土研究很少。,.,28,2001年，韩林海、杨有福、霍静思对12根钢管混凝土柱（包括6根圆形截面和6根方形截面）进行高温后剩余承载力试验研究。炉内升温曲线采用ISO-834和GB9978-88规定的标准升温曲线。研究表明：没涂防火涂料的钢管混凝土柱在经过高温作用后的承载力损失严重，涂防火涂料的构件次之；与常温试件的承载力相比，随着长细比的增大，火灾后构件承载力的损失率越高；荷载偏心率对火灾后构件承载力的损失率影响不大。2002年，韩林海、杨华等对6根矩形截面钢管混凝土柱进行火灾作用后力学性能和剩余承载力的试验研究。详细分析了受火时间、截面含钢率、钢材种类、混凝土立方体抗压强度和截面高宽比等参数对试件承载力的影响，同时还推导出火灾作用后矩形钢管混凝土柱承载力实用计算方法，计算结果与试验值相差不大。,.,29,2002年，霍静思，韩林海首次采用数值分析的方法计算了标准火灾作用后方钢管混凝土轴压构件和纯弯构件荷载变形关系曲线，对影响其弹性阶段内轴压刚度和抗弯刚度的规律进行了参数分析，包括受火时间、材料强度、含钢率、截面尺寸等，最后提出了标准火灾作用后钢管混凝土轴压刚度和抗弯刚度的简化实用计算方法，与火灾后的滞回性能试验进行比较，简化计算值与试验值相差不到2%，可以为钢管混凝土结构设计提供参考。2002年，姜绍飞、刘明对高温后不同截面钢管混凝土轴压构件力学性能的差异进行了试验研究。研究表明：对于各种截面的试件，承载力都随温度的升高而逐渐降低，但圆形截面钢管混凝土试件在遭受高温作用后的残余承载力损失最为严重，矩形截面次之,方形截面最少。,.,30,2003年，林晓康，韩林海对6根边长120mm，长1500mm，钢管壁厚2.9mm，受火时间90min的方钢管混凝土长柱进行荷载变形滞回性能试验，深入的分析了火灾作用后方钢管混凝土荷载变形滞回曲线的特点以及刚度退化规律。研究结果表明，方钢管混凝土虽然经受火灾作用，材料强度有所减小，但其滞回曲线仍然饱和，抗震性能很好；火灾作用后试件的极限承载力和弹性阶段内的刚度与常温下的试件相比均有一定幅度的降低。2005年，姜绍飞、李明等人在总结了其他学者们提出的材料应力-应变的关系的基础上，通过考虑钢材侧向约束作用，推导出一种新的恒高温作用后钢管混凝土材料的应力-应变关系模型。,.,31,2007年，姜绍飞、牛德生首先对14个高温后矩形钢管混凝土双向压弯构件（截面边长80mm120mm，钢管壁厚3.70mm，柱长800mm，套箍系数1.37）进行了试验研究，然后通过编制计算程序，得出了荷载-位移-弯矩全过程曲线，最后对影响构件剩余承载力系数进行参数分析。研究表明：钢材的屈服强度、混凝土的立方体抗压强度、截面含钢率、荷载偏心率对承载力降低系数的影响不明显，长细比、截面高宽比对承载力降低系数的影响较明显，具体表现为在其它条件不变的情况下，长细比在1040范围内变化时，承载力降低系数随长细比的增大而减少；在其它条件不变的情况下，截面高宽比在12范围内变化时，承载力降低系数随高宽比的增大而增大。,.,32,2011年，任晓虎等采用落锤冲击实验机对10个根钢管高强混凝土短柱进行了高温作用后抗冲击性能试验研究。研究表明：试件所经历的最高温度、冲击速度、冲击能量和含钢率均对高温作用后钢管混凝土的动态力学性能有显著的影响，而升降温全过程中轴压力水平的影响较小；试件的轴向和径向残余变形随着试件所经历的最高温度、冲击能量、轴压比的增大而增大，随着含钢率的增大而减小；高温后钢管混凝土在冲击作用下产生了较大的压缩变形，延性有所下降，但仍能够保持很好的完整性，说明钢管混凝土在高温作用后具有良好的抗冲击能力。,.,33,3、钢管混凝土柱的抗火性能研究的一般方法随着钢管混凝土柱在建筑工程中应用的日益增多，深入研究其耐火性能，并基于此确定其抗火设计方法具有重要的理论意义和实用价值。以均匀受火的钢管混凝土柱为研究对象，首先通过实验来研究ISO-834(1975)标准火灾作用下钢管混凝土柱的耐火极限和温度场变化规律，然后利用有限元法计算分析了柱截面的温度场。在确定了组成钢管混凝土的钢材和核心混凝土受高温影响的应力-应变关系模型的基础上，建立了可考虑力、温度和实时间不同路径情况下钢管混凝土柱荷载-变形关系的和耐火极限的理论分析模型。利用所建立的理论模型，分析火灾作用下柱的荷载比、材料强度、截面含钢率、横截面尺寸、构件长细比和荷载偏心率等参数对ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土构件耐火极限和承载力的影响规律，最终提出承载力和防火保护层厚度实用计算方法。,.,34,例如：对于火灾后圆钢管钢筋混凝土轴压短柱力学性能研究（剩余承载力研究）1、实验装置简介：1）温度场试验装置：,试验炉全貌,温度采集装置,柱子摆放位置图,.,35,2）受火后试验现象：,受火30min后试件表面现象：钢管整体颜色变暗，中部呈暗红色两端颜色变化不明显钢管氧化层酥脆或剥落,受火60min后试件表面现象：钢管整体颜色变暗，两端呈砖红色中部表面呈淡蓝色钢管氧化层酥脆、剥落更加明显,.,36,3）试件加载装置：,.,37,2、火灾后钢管钢筋混凝土轴压短柱有限元模型的建立1）温度场模型的建立:参考Lie给出的钢材和钙质混凝土热工性能模型，同时考虑水分蒸发的影响。混凝土：八节点三维实体传热单元（DC3D8）钢管：四节点传热四边形壳单元（DS4）钢筋：两节点传热索单元（T3D2）网格采用结构化六面体单元网格划分技术,热工性能,单元类型,网格划分,.,38,边界条件,钢管表面：辐射系数（Surfaceradiation）：0.5对流系数（Surfacefilmcondition）：25W/(m2),钢管表面：辐射系数（Surfaceradiation）：0.5对流系数（Surfacefilmcondition）：25W/(m2)混凝土与钢筋之间：Tie不考虑接触热阻,.,39,2）力学性能分析模型的建立:,材料间接触,边界条件,混凝土与钢管之间：SurfacetoSurfaceContactTangentialBehavior：FrictionCoeff取0.6（常温）FrictionCoeff取0.25（火灾后）NormalBehavior：HardContact混凝土与刚性端板之间：Shell-to-SolidCoupling混凝土与钢筋之间：EmbeddedRegion刚性端板与钢管之间:SurfacetoSurfaceContact,模型中柱顶端采用固接，平动自由度及转动自由度均控制为0，即U1=U2=