火灾后型钢混凝土柱抗震性能及其加固修复研究

1、火灾后型钢混凝土柱抗震性能及其加固修复研究 之研究现状摘要:从火灾后钢材及混凝土力学性能、型钢混凝土的抗震性能、火灾后的型钢混凝土柱加固修复 3 个方面进行了论述,介绍了目前国内外关于火灾后型钢混凝土结构抗震及加固修复研究的主要进展及成果。关键词:火灾后,型钢混凝土柱,抗震性能 加固修复随着型钢混凝土（SRC）结构在多、高层建筑和工业厂房中的应用日益增多，其遭受长期高温作用或突发火灾事故的可能性也不断增加。高温作用不仅使组成SRC 柱的钢材和混凝土材料的性能发生劣化，而且还会在结构内部形成不均匀温度场，引起温度应力，导致结构损伤、承载力下降，甚至造成严重事故。而目前国内对于型钢混凝土的抗震性能

2、的研究主要集中在对于剪跨比很小的短柱抗震性能研究和高强混凝土的短柱以及压弯起控制作用的型钢混凝土长柱的研究，对于火灾后的型钢混凝土的柱抗震性能及其加固修复研究目前还未见报道，所以对于火灾后的型钢混凝土柱的抗震性能及其加固修复是十分必要和迫切的。1 标准火灾后钢骨混凝土柱的力学性能郑永乾、韩林海(2006年) 确定了高温下组成钢骨混凝土的钢材和混凝土的热工参数与力热本构关系模型,利用有限元法计算了钢骨混凝土柱截面温度场,并分析了截面尺寸、构件长细比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、钢骨和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对耐火极限及火灾下构件承载力的影响规律,提出钢骨混凝土柱耐火极限

3、的实用计算公式。蒋东红、李国强等(2005年) 提出了在标准火灾升温作用下钢骨混凝土轴压柱极限承载力与变形的计算方法,并通过试验对计算方法进行了验证。在此基础上,对混凝土强度、钢骨强度、钢骨含钢率、截面寸和受火时间等承载力影响参数进行了计算分析,并分别给出了拟合计算式。韩林海 杨华 霍静思 杨有福（2002年）通过对6 个矩形截面钢管混凝土柱按ISO-834 标准升温曲线升温作用后的试验研究火灾作用后矩形钢管混凝土柱的力学性能和剩余承载力结果表明在本次试验参数范围内火灾后裸钢管混凝土柱的承载力损失严重在确定了钢材和混凝土在高温作用后应力应变关系模型的基础上计算了火灾作用后矩形钢管混凝土压弯构件

4、荷载变形关系曲线理论计算结果得到试验结果的验证在分析了各参数如火灾持续时间构件截面含钢率钢材种类混凝土强度等级荷载偏心率构件长细比截面高宽比和构件截面尺寸等影响的基础上提出火灾作用后矩形钢管混凝土柱承载力实用计算方法。霍静思 韩林海（2006年）进行了外加强环板型钢管混凝土柱2钢梁节点在恒定轴压力和水平往复荷载作用下的滞回性能试验研究,考察了试验参数,如柱截面形式(圆形和方形截面) 、受火时间、梁柱线刚度比和轴压比等对该类节点的延性和耗能指标的影6.响规律,并对该类节点火灾后的节点刚性和节点域剪切变形性能进行了分析林晓康, 韩林海（2005年）对火灾作用后, 钢管混凝土柱的强度和刚度均会遭受损

5、失, 需进一步考察其抗震能力。本文介绍了7 个火灾后圆钢管混凝土试件滞回性能试验研究, 采用数值方法对荷载2位移滞回关系曲线进行全过程分析, 计算分析了轴压比、长细比、含钢率、钢材屈服极限、混凝土抗压强度、受火时间等参数对荷载2位移关系骨架线的影响。研究结果表明,火灾作用后圆钢管混凝土柱滞回关系曲线形状饱满, 无明显的捏缩现象, 但试件的极限承载力和弹性刚度会有所降低陆洲导、余江滔等(2006 年)进行了12 个钢骨混凝土柱火灾下反应的试验,利用有限单元法和有限差分法的混合解法,编制有限元计算程序,得到钢骨混凝土柱的温度分布和极限承载力的数值计算方法,并通过各种受火时间、长细比和偏心距的钢骨混

6、凝土柱抗火性能的计算,得出了相应的极限承载力计算公式。 郑永乾，韩林海，经建生 采用纤维模型法和有限元软件ABAQUS 计算了火灾下型钢混凝土梁的变形以及耐火极限，初步了解了型钢混凝土梁的高温力学性能。在此基础上，利用纤维模型法分析了截面尺寸、截面含钢率、受拉钢筋配筋率、型钢屈服强度、钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比和钢筋的混凝土保护层厚度等参数对火灾下构件承载力的影响规律，最后提出了型钢混凝土梁耐火极限的实用计算公式。侯进学，毛小勇 为更加真实地反应构件在火灾中的实际状况，了解升、降温过程中荷载存在对高温后构件性能的影响，进行了2 根偏压型钢混凝土柱的抗火全过程试验。试验采用ISO-83

7、4 标准升、降温曲线，并保持火灾作用时荷载恒定；同时，分析了构件强度和变形发展规律。结果表明，火灾作用后试件的破坏形态和特点与常温下有显著不同；构件受力性能和剩余承载力主要与预加荷载、火灾持续时间等因素有关；荷载较大时试件可能在降温段发生破坏毛小勇,高伟华,李丽丽,徐悦军 在实际火灾中, 结构中的柱子有可能处于三面受火的状态。由于受火边界的差异, 其耐火性能与四面受火的情况有所不同。为认识三面受火型钢混凝土( SRC ) 柱的耐火性能, 进行了两根ISO834标准火灾作用下三面受火( 受拉侧不受火) SRC 柱在偏心荷载作用下的耐火极限试验, 观察了试件的破坏过程, 取得了截面温度场分布、变形

8、- 时间关系曲线等数据, 并分析了有关规律及机理。试验结果表明: 达到耐火极限状态时, 型钢的温度较低; 混凝土爆裂对截面温度场及构件耐火极限均有影响; 荷载比和偏心率是影响高温下SRC 偏压构件变形特征及耐火极限的重要因素。试验结果可供三面受火SRC 柱耐火设计参考。韩林海霍静思 在确定了钢材和混凝土在高温作用后应力O应变关系模型的基础上, 本文利用数值分析方法成功地计算出ISOO834 规定的标准升温曲线作用后圆钢管混凝土和方钢管混凝土压弯构件荷载O变形关系曲线, 理论计算结果和试验结果基本吻合。在系统分析火灾持续时间、构件截面含钢率、钢材种类、混凝土强度等级、荷载偏心率和构件截面尺寸等因

9、素对火灾作用后钢管混凝土构件承载力影响规律的基础上, 提出火灾作用后圆钢管混凝土和方钢管混凝土构件承载力的简化计算方法。 2 型钢混凝土的抗震性能郭子雄, 林煌, 刘阳（2010年）为研究不同配箍形式对型钢混凝土( SRC )框架柱抗震性能的影响, 进行了8个12比例SRC 柱试件的低周反复加载试验。主要研究参数为配箍形式、体积配箍率和剪跨比。通过试验研究了各参数对试件强度衰减、延性、滞回特性和耗能能力等性能的影响。研究表明, 试件变形能力随体积配箍率和剪跨比的增大而增大, 强度衰减随配箍率的增大而减小, 配箍率对试件刚度衰减影响不明显郭子雄, 张志伟, 刘阳（2009年）进行6 个1/ 2

10、比例的型钢混凝土框架柱( SRC) 的低周反复加载试验, 主要研究轴压力系数和体积配箍率对型钢混凝土柱滞回特性的影响和SRC 柱在不同抗震性态水平的变形指标. 通过试验结果分析了SRC柱试件的破坏形态、变形能力、滞回特性等抗震性能指标. 基于不同性能水平下的变形和相关参数试验结果,提出了以裂缝宽度和纵向钢筋应力水平、残余变形、极限转角分别作为正常使用、可修和避免倒塌等性能水平的评定参数, 并建议了相应性能水平的限值. 该研究成果可供型钢混凝土结构基于性能的抗震设计研究和工程实践参考.杨 勇,郭子雄,杜培龙,聂建国（2005年）在型钢混凝土结构基础上提出核心型钢混凝土结构, 并对核心型钢混凝土结

11、构研究意义进行概要分析。采用CSI 公司通用程序Sect ion Builder- 8 对56 个核心型钢混凝土柱试件进行截面受力性能全过程非线性分析, 得到各试件的弯矩- 轴力相关曲线(M- N 曲线) 、弯矩- 曲率曲线(M - 曲线) 及弯矩- 轴力- 曲率曲线(M - N- 曲线) 。结合核心型钢混凝土柱截面全过程非线性分析结果, 对核心型钢柱截面曲率延性系数进行分析, 并着重考察核心混凝土柱中核心型钢的截面高度、配钢率、型钢截面形式及柱轴压比等主要参数对柱受力性能的影响。研究结果表明, 核心型钢能有效改善核心型钢混凝土延性, 核心型钢混凝土柱轴压比限值相对钢筋混凝土柱可以明显提高刘阳

12、，郭子雄，叶勇（2011年）在低周反复荷载作用下，对个钢筋混凝土柱和个核心型钢混凝土柱进行试验，研究核心型钢配钢率和轴压比对试件抗震性能的影响牟星之 姜维山 赵鸿铁（1991年） 对型钢混凝土短柱在反复剪力作用下的杭剪性能进行了试验研究试件包括工字钢和角钢析架的两类型钢混凝土短柱, 就其开裂滞回曲线，延性，耗能效果及破坏模式等进行了分析, 提出了型钢混凝土短往的抗剪强度计算公式姜睿 徐世烺 贾金清 对超高强混凝土组合柱抗震性能做出了一系列的的实验研究 陈宗平,薛建阳,苏益声,赵鸿铁 为了揭示型钢混凝土L形柱在地震作用下的受力性能, 设计8个试件进行低周反复加载试验。试验分两批, 第一批4个试件

13、采用/ 建研式0加载, 另外4个采用/ 悬臂柱式0加载。试验中考虑截面配钢形式、荷载加载方向、轴压比和剪跨比4 个参数的影响。由试验获得了型钢混凝土L 形柱的主要破坏形态和滞回曲线, 分析了各参数对构件的破坏特点及滞回性能的影响, 并对不同加载方式的试验结果进行了理论诠释。结果表明: 型钢混凝土L形柱的破坏形态主要为剪切斜压破坏、剪弯破坏和弯曲破坏, 破坏形态与剪跨比有关; 构件具有良好的延性, 极限侧移角大, 耗能能力强, 抗震性能好; L形柱截面不对称, 采用悬臂柱式加载时, 滞回曲线不对称, 而建研式加载时, 由于受到加载装置上下端头的约束, 试件的滞回曲线对称。在框架结构中型钢混凝土L

14、形柱受到刚性楼盖的约束, 在水平荷载作用下滞回曲线是对称的 赵成文，乔辉，高连玉研究蒸压粉煤灰实心砖墙体抗震性能、破坏形态和设计方法，为编制蒸压粉煤灰砖建筑技术规程提供依据. 方法试验利用沈阳建筑大学结构工程实验室的建研式加载装置，采用拟静力试验方法对3 片不同试验参数的蒸压粉煤灰砖墙体进行了破坏性试验. 结果本次试验的试件抗剪承载力实测值与建筑抗震设计规范的抗震抗剪承载力计算值的平均值之比为3.63，说明规范取值较保守. 结论鉴于本次试验试件数量较少，建议蒸压粉煤灰实心砖砌体抗震抗剪承载力仍按建筑抗震设计规范中抗震抗剪承载力计算公式计算，所给的结论和设计建议可供编制蒸压粉煤灰砖建筑技术规程参

15、考. 郭子雄 刘阳 黄秋来 对高轴压比核心型钢混凝土柱的抗震性能做出了实验研究，表明配置核心型钢混凝土能有效提高高轴压比的耗能能力和变形能力 田丹丹, 丁小军, 冯成运利用大型通用有限元软件Sap2000, 对不同含钢率的型钢混凝土柱- 钢梁混合结构建立模型, 并进行分析。结果表明, 在模态分析、反应谱分析、弹性时程分析和静力非线性分析的弹性阶段, 随着含钢率的提高, 结构的抗震性能有所提高, 但提高幅度不明显; 而在静力非线性分析的塑性阶段, 随着含钢率的提高, 结构的抗震性能明显增强, 含钢率越高, 结构的变形能力和耗能能力越强。 石启印 高 云 李爱群 , 张秀峰 为克服普通组合框架结构

16、体系存在的缺点, 首次提出新型外包钢混凝土组合梁- 型钢混凝土柱组合框架结构体系. 设计制作了一榀单跨两层型钢混凝土柱- 外包钢混凝土梁的组合框架结构模型, 并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载, 对模型框架进行了抗震性能试验. 试验表明, 该榀组合框架在地震时能形成梁铰破坏机制, 框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等均满足延性框架的抗震要求, 且模型框架的有效延性系数达到了7. 5. 新型型钢混凝土组合柱- 外包钢混凝土组合梁框架结构的抗震性能优于钢框架结构和钢筋混凝土柱- 钢梁框架结构, 可在中高层建筑中推广应用. 薛建阳 赵鸿铁 杨勇 研究了型钢混凝土的节点破坏形态，滞回性能

17、延性 刚度退化等力学性能 3 钢骨混凝土的加固及其修复吕志涛 张继文 陈杰（2004年）对11（对比柱1根，FRP加固柱10根）根混凝土柱进行了低周反复实验。实验结果表明，用FRP加固后的混凝土柱，其极限承载力，延性和耗能性能均有所提高。陆洲导 洪涛 谢莉萍（2002年）对4 个十字形混凝土梁板柱节点进行破损加载, 模拟中小地震中的损伤, 然后进行灌缝修复和粘贴碳纤维加固。加固试件和对比试件的低周反复荷载试验结果表明, 采用的加固修复方法非常有效, 受损试件加固后的抗震性能要优于对比试件。陆洲导 朱伯龙（1997年）在混凝土结构火灾后的检测方法研究的基础匕对混凝土结构受火灾后的加固修复进行了研

18、究。通过火灾后混凝土和钢筋的强度试验, 以及混凝土结构火灾后的加固修复试验, 研究了混凝土结构火灾后的加固修复方法, 并在实际工程中得到应用, 证明这此方法是可靠的混凝土结构火灾加固修复强度试验王清湘 赵鹏展 关洪波（2009年）研究GFRP( 玻璃纤维增强聚合物) 管混凝土结构的抗震性能，对低周反复荷载作用下的4个GFRP 管混凝土柱和1 个无套管约束的普通混凝土柱进行试验，研究其破坏形态及滞回性能，分析混凝土强度、轴压比等因素对柱延性的影响。试验结果表明，GFRP 管混凝土柱具有良好的抗震性能。徐志胜 郭新伟 张 焱（2004年）简要介绍了足尺钢筋混凝土梁火灾试验情况、火灾后梁的加固方案,

19、 然后对加固后的梁进行静载试验。试验结果表明, 采用碳纤维布( CFRP) 加固能显著提高梁的刚度和承载力, 就刚度提高程度而言, CFRP 在后期阶段贡献较大, 就承载力提高程度而言, 粘贴两层所提高的程度不是粘贴一层的两倍; CFRP 加固后的受火梁在荷载作用下沿高度方向上混凝土的应变近似直线分布。仓友清,查晓雄,王晓璐 （2011年）主要研究了钢管2GFRP 管2混凝土柱在定轴力和往复水平力作用下的抗震性能。基于有限元分析软件ABAQUS 对该构件的滞回性能进行了分析,得到了不同影响因素下骨架曲线形状的变化规律。研究表明,加入FRP 管会降低原钢管混凝土构件的延性。当轴压比较大、长细比较

20、小时,FRP 管的脆性破坏会造成骨架曲线形状的突变。若对轴压比和长细比进行适当控制,则该构件仍能够满足延性的要求。最后对已有的实心或空心钢管混凝土压弯构件恢复力模型进行了修正,得到了适合本文构件的恢复力简化模型陆洲导 朱伯龙 熊海贝 丁伟 通过遭受火灾荷载作用后的四揭单层双跨钢筋混凝土框架加固修复后, 进行静力破坏试验, 分析了加固修复后框架的破坏特点和破坏机理, 采用非线性分析方法对加固修复后框架进行全过程分析,对加固修复后框架的变形反应及承载力作出了计算, 并与试验实测结果吻合 吴波, 林忠明 在ISO834标准升温条件下, 开展了具有端部约束的7根碳纤维布加固混凝土梁和1根未加固混凝土梁

21、的耐火性能试验, 考察了梁端轴向和转动约束、防火涂料厚度、荷载比等参数对约束梁高温变形及内力的影响。试验结果表明: 约束梁的轴向变形最大值随轴向约束刚度比和防火涂料厚度增大而减小, 附加轴力最大值随轴向约束刚度比增加或防火涂料厚度减小而增大, 梁端附加弯矩最大值随防火涂料厚度减小而增大, 但防火涂料厚度在10 20mm范围内变化时影响幅度有限;降温后约束梁的附加轴力仅少量恢复, 梁端附加弯矩却较大幅度回落; 与非加固梁相比, 加固梁的梁端附加弯矩最大值不仅数值更小, 而且出现时刻明显偏晚。参考文献: 1 Mark D. Denavit1, Jerome F. Hajjar2, and Robe

22、rto T. Leon3 Seismic Behavior of Steel Reinforced Concrete Beam-Columns and Frames Structures Congress ASCE 2011 2 Gregory G. Deierlein, F.ASCE,1 and Hiroshi Noguchi, M.ASCE2 Overview of U.S.Japan Research on the Seismic Design of Composite Reinforced Concrete and Steel Moment Frame Structures ASCE

23、/ FEBRUARY 2004 3 Bin Li1, Pedram Zohrevand2, and Amir Mirmiran3 CYCLIC BEHAVIOR OF FRP-CONCRETE BRIDGE PIER FRAMES Journal of Bridge Engineering. Submitted July 23, 2011 (ASCE) 4 吴波,马忠诚,欧进萍. 高温后混凝土在重复荷载作用下的应力应变关系 . 地震工程与工程振动,1997 5 宿晓萍. 火灾后约束高强混凝土本构关系与已修复结构抗震性能研究 . 哈尔滨:哈尔滨建筑大学硕士学位论文,2000 6 郑永乾,韩林海.

24、 钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法 . 建筑钢结构进展,2006 7 蒋东红,李国强,张彬. 钢骨混凝土偏压柱抗火极限承载力分析研究. 建筑钢结构进展,2006 8 陆洲导,徐朝晖. 火灾下钢骨混凝土柱温度场分析J . 同济大学学报(自然科学版) ,2004 9 郭子雄, 林煌, 刘阳 不同配箍形式型钢混凝土柱抗震性能试验研究 建筑结构学报 2010 10 仓友清,查晓雄,王晓璐 钢管2GFRP 管2混凝土柱抗震性能的研究 建筑钢结构进展 2011 11 王清湘 赵鹏展 关洪波 GFRP 管混凝土柱抗震性能试验研究 工业建筑 2010 12 李忠献，许成祥等 碳纤维布加固钢筋混凝土短柱的抗

25、震性能试验研究 建筑结构学报 2002 13 林晓康, 韩林海 火灾作用后圆钢管混凝土柱荷载2位移滞回性能研究 建筑结构学报 2005 14 林晓康, 韩林海 ISO2834 标准火灾作用后方钢管混凝土构件滞回性能试验研究 地震工程与工程振动 2003 15 陈小刚等 型钢混凝土柱抗震性能实验研究 北京科技大学学报 2009 16 郭子雄, 张志伟, 刘阳 SRC 柱抗震性能和抗震性态水平指标试验研究 西安建筑科技大学学报 2009 17 韩林海等 标准火灾作用后矩形钢管混凝土柱剩余承载力的研究 工程力学 2002 18 霍静思,韩林海 ISO - 834 标准火灾作用后钢管混凝土的轴压刚度和

26、抗弯刚度 地震工程与工程振动 2002 19 林晓康, 韩林海 火灾后方钢管混凝土压弯构件滞回性能理论分析 地震工程与工程振动 2005 20 霍静思, 韩林海 火灾作用后钢管混凝土柱-钢梁节点力学性能的研究 福州大学博士学位论文 2005 21 陆洲导 洪 涛 谢莉萍 碳纤维加固震损混凝土框架节点抗震性能的初步研究 工业建筑 2003 22 牟星之 姜维山 赵鸿铁 型钢混凝土短柱抗震性能的试验研究 西安冶金建筑学院学报 1991 23 吕志涛 张继文 陈杰 FRP加固钢筋混凝土柱抗震性能的实验研究 东南大学硕士学位论文 2004 24 郭子雄 刘阳 核心混凝土柱抗震性能实验研究 华侨大学硕士学位论文 2006 25 刘阳 郭子雄 欧阳文俊 朱雁茹 核心型钢混凝土柱抗震性能及轴压比限值试验研究 土木工程学报 2010 26 夏多田,唐艳娟,王玉山,石磊 碳纤维布加固钢筋混凝土柱的抗震性能试验研究 石河子大学学报 2010 27 仓友清,查晓雄,王晓璐 钢管2GFRP 管2混凝土柱抗震性能的研究 建筑钢结构进展2011 28 肖岩 单波等 FRP加固钢筋混凝土柱考虑地震及使用损伤的长期性能和修复 湖南大学博士学位论文 2006 29 徐世烺 姜睿等 超高强