钢管混凝土抗火性能ppt

1、钢管混凝土柱的抗火性能分析及防火措施12级 结构工程沈会n钢管混凝土柱抗火研究背景钢管混凝土柱抗火研究背景n用用AbaqusAbaqus模拟分析钢管混凝土柱抗火性能模拟分析钢管混凝土柱抗火性能n钢管混凝土柱机理分析及影响耐火极限的因素钢管混凝土柱机理分析及影响耐火极限的因素n防火保护层厚度的计算防火保护层厚度的计算钢结构抗火性能差钢结构抗火性能差随着温度升高，屈服强度下降，超过600600时，钢材将会丧失绝大部分的强度和刚度。钢管混凝土柱国外由于没有合理的考虑钢管对其核心混凝土的约束作用约束作用, 计算结果大都偏于保守且和试验结果差异较大，得到的计算结果也不够准确。它们一般提高钢管混凝土柱本身

2、的抗火性能来提高耐火极限。国内方面主要是韩林海做了大量的实验研究和理论分析，指出了钢管和混凝土之间的相互作用能提高提高抗火性能。国内目前采取的防火措施一般用防火涂料，给出了一些保护层厚度计算公式。国内外大量试验结果发现：n 火灾时，构件变形稳定变形稳定, 达到耐火极限时仍保持较好整体性。较好整体性。n 火灾后，截面的力学性能力学性能比高温下有所改善，结构整体性结构整体性比火灾中也有所提高。结论结论: :钢管混凝土柱有着良好的抗火性能。钢管混凝土柱有着良好的抗火性能。受火机理：温度的提高,钢失去承载力,钢管壁仍“套箍套箍”混凝土。但混凝土的热传导率热传导率很低,其强度丧失的速度低于钢管,构件承受

3、的荷载逐渐转移到混凝土。最终在钢管失去强度后,核心混凝土将承担全部荷载。有限元Abaqus分析钢管混凝土柱抗火n 钢材采用ABAQUS 软件中提供的等向弹塑性模型，混凝土采用ABAQUS软件中提供的塑性损伤模型。n 截面尺寸Bts=273.15.56mm，钢材屈服强度350MPa，混凝土圆柱体强度29MPa，构件两端固结，初始弯曲取1/1000 杆长，作用在构件上荷载525kN。有限元Abaqus分析钢管混凝土柱抗火n 在构件加载位置施加荷载N，保持外荷载，调用温度场分析结果计算。可以得到该钢管混凝土柱的计算轴线变形()-受火时间(t)关系曲线。破坏形态钢管mises应力混凝土纵向应力(a)

4、A 点(0min)(b) B 点(23min)混凝土全截面受压，呈带状分布，由于初始弯曲初始弯曲，在外荷载作用下一侧压应力较高。荷载主要由钢管承担，截面混凝土温度外高内低，高温区热膨胀变形受到低温区的约束，因此高温区混凝土为压应力压应力，内部低温区混凝土为拉应力拉应力。(c) C 点(33min)(d) D 点(68min)随着截面内外温差的减小，外围混凝土压应力和内部拉应力有所减小。核心混凝土开始承受外荷载。混凝土在温度和外荷载作用下，压应力进一步增加。(e) E 点(100min)随着混凝土温度的进一步升高，材料属性恶化较为严重，破坏时压应力最大区域在截面中心偏下，即偏向构件弯曲内侧，此时

5、整个截面混凝土为受压状态。单个钢管混凝土柱构件抗火机理分析材料物理性质： n 混凝土的热容热容比钢材大得多,导热系数导热系数却比钢材小得多。n 钢材的密度密度是混凝土的三倍,但含钢率在10%左右,混凝土的体积将是钢管的10倍以上。外部钢管虽然升温较快, 但内部混凝土升温滞后, 且温度沿截面分布很不均匀不均匀。 对外部钢管而言, 由于其热量充分被核心混凝土吸收, 也使外部钢管温度升高的幅度低于纯钢结构。 单个钢管混凝土柱构件抗火机理分析 由于钢管和核心混凝土之间变形不一致, 存在相互作用相互作用问题,使它们处于复杂应力复杂应力状态。同时,由于钢管保护作用,核心混凝土在高温下不会发生剥落和崩裂;而

6、钢管虽然在高温下己软化,丧失强度而失去承载能力，但是内部混凝土的存在,保证钢管不发生失稳和局部屈曲。结论：二者能够相互作用,协同互补,共同工作,提高了钢管棍凝土构件的整体性整体性,使这种结构具有很好的耐火性能。整体框架下的钢管混凝土柱抗火机理分析n 实验表明：钢管混凝土框架底层边柱在框架结构中的耐火极限承载力远远大于远远大于单个构件的耐火极限承载力。这一结论说明这一结论说明： 现行钢管混凝土防火设计规范采用单个钢现行钢管混凝土防火设计规范采用单个钢管混凝土柱的耐火承载力进行设计是偏于保守的。管混凝土柱的耐火承载力进行设计是偏于保守的。热量逐渐传入钢管混凝土柱构件内部热量逐渐传入钢管混凝土柱构件

7、内部, , 钢管混凝土柱的刚度钢管混凝土柱的刚度逐渐下降逐渐下降, , 框架中各个构件之间的弯矩分配比例发生改变框架中各个构件之间的弯矩分配比例发生改变, , 导致弯矩重分布导致弯矩重分布, , 到破坏前弯矩远远低于常温时的设计弯矩到破坏前弯矩远远低于常温时的设计弯矩, , 边柱柱头实际作用的弯矩下降导致其耐火边柱柱头实际作用的弯矩下降导致其耐火极限极限的延长。的延长。影响钢管混凝土构件耐火极限的因素截面尺寸截面尺寸、含钢率、荷载偏心率、长细比、保护层含钢率、荷载偏心率、长细比、保护层、边界约束边界约束。(1)截面尺寸 钢管混凝土截面尺寸越大越大,构件的承载力降低越少，耐火极限得到提高提高。(

8、2)含钢率 含钢率对钢管混凝土结构耐火极限的影响较小较小。(3)荷载偏心率 随着荷载偏心率对钢管混凝土耐火极限总体影响较小较小。（4）长细比(入)n 对于圆钢管混凝土柱, 当人90 时,长细比越大,耐火极限越低; 当人90时,长细比对耐火极限的影响明显减弱。n 对于方钢管混凝土柱,当长细比入40 时, 长细比越大, 耐火极限有增加的趋势, 但幅度不大; 当长细比入 40 时, 长细比越大, 耐火极限越低。( (5)保护层 目前一般采用防火涂料保护层。不同的保护层材料, 其效果不太一样。对于相同的材料, 保护层厚度越大厚度越大, 则构件的耐火极限越大耐火极限越大。(6)边界约束条件与两端铰接和一

9、端铰接一端固接的钢管混凝土柱构件相比, 框架中钢管混凝土柱的抗火性能有很大的的提高。防火措施n 结构本身抗火 国外考虑到劳动力昂贵 1.配置专门考虑防火防火的钢筋型钢或钢纤维 2.通过降低柱子的轴压比轴压比n 防火涂料 国内目前大多采用涂防火涂料 缺点：大都偏于保守而造成浪费,经济性差且缺乏科学性防火保护层厚度的计算影响钢管混凝土柱防火保护层厚度的主要参数包括: n 火灾荷载比( n) 火灾荷载比越大, 防火保护层厚度越大n 耐火极限( t ) 要求的耐火极限越大, 防火保护层厚度也越大n 截面尺寸( C ) 随着构件直径（圆钢管）或截面尺寸（方钢管）越大，防火保护层厚度越小。n 长细比(人 ) 长细比的越小，防火保护层厚度也越小钢管混凝土柱防火保护层厚度简化计算方法n 对于圆钢管混凝土柱： n 对于方钢管混凝土柱： n 基本参数为：耐火极限t=1.03.0h；柱截面周长C，长细比=1080。该方法将火灾荷载比n假定为定值0.77，仅考虑了耐火极限（l）、截面尺寸（c）和长细比（人）三个因素。(0.28 0.0019 )9.6(19.2)RatC5 2(0.42 0.0017210)22(149.6)RatC 结语n