火灾下钢管混凝土柱-钢梁节点力学性能研究结题摘要

对组成钢管混凝土梁柱节点的基本构件的抗火性能进行了理论和试验研究；以截面形式、混凝土类型和试件曾经历的最高温度为主要参数，进行了32个钢管再生混凝土短柱和8个钢管普通混凝土对比试件火灾（高温）后力学性能的试验研究；在确定钢材和核心再生混凝土本构关系模型的基础上，建立了火灾（高温）后钢管再生混凝土短柱轴压力学性能分析的有限元模型，揭示了火灾（高温）后钢管再生混凝土短柱的工作机理；在系统参数分析结果的基础上，提出了火灾（高温）后钢管再生混凝土轴压承载力和弹性模量的简化计算公式。基于有限元软件ABAQUS建立了钢管混凝土柱-组合梁节点的理论分析模型，初步分析了影响该类节点火灾下和火灾升、降温共同作用下力学性能的主要因素；设计了8个方钢管混凝土柱-组合梁节点试件（火灾下试件6个、火灾升、降温作用下试件2个），考察梁柱弯矩比（或线刚度比）、梁防火保护层厚度、梁荷载比等参数对该类节点时间－温度关系、破坏形态、荷载-变形关系和变形-时间关系的影响规律。本项目的研究成果可为整体钢管混凝土框架结构的抗火设计及其火灾后的评估修复提供参考。 2100433B

建筑结构发生火灾后，除可能引起结构倒塌和造成人员伤亡外，还可能导致结构的建筑功能丧失并引起较大间接经济损失。目前国内外钢管混凝土结构抗火研究主要针对独立构件，然而独立构件与整体结构中构件的抗火性能有很大不同，其原因是整体结构中的构件由于受到与其相邻构件的影响，而改变其作为独立构件时的受力方式，且在火灾作用下，钢材和混凝土的温度膨胀效应也表现出很大的差异。本项目将研究高层建筑结构中应用较多的钢管混凝土柱-钢梁加强环节点（简称钢管混凝土柱-钢梁节点）的抗火性能，基于弹塑性有限元理论建立其在火灾作用下的理论分析模型，并通过8个节点试件的受火试验，对分析理论进行验证。通过本项目试验和理论研究，将揭示钢管混凝土柱-钢梁节点的受火温度场及内力变化规律和受火破坏机理，确立其受火破坏准则和抗火设计原则，建立能较准确反映结构整体性的抗火设计方法，使钢管混凝土柱-钢梁节点抗火设计理论取得实质进展。

本项目的成果包括：通过Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)试验，研究了建筑结构用钢在高温条件下的动态力学行为，并建立了一种新的钢材高温-粘塑性本构模型，该模型与试验结果的拟合效果较好；在新提出本构方程的基础上，基于三种不同单元(平面Timoshenko剪切梁单元、三维纤维梁单元、九节点Mindlin板单元)，建立了三个可用于分析火灾-爆炸共同作用下约束钢梁力学响应的非线性数值模型(使用Fortran编程)，并模拟了若干火灾及爆炸试验过程，效果良好；使用建立的数值模型并结合现有的商业通用有限元软件进行了大量参数分析，总结了梁在火灾-爆炸共同作用条件下的破坏模式，以及轴向约束刚度、爆炸载荷特征、火灾升温路径等因素对梁响应结果的影响；提出了一种简化的梁在火灾-爆炸共同作用条件下响应的计算方法。钢材的高温动态冲击试验结果表明，动态应变时效(DSA)使两种钢材表现出明显的“反常”行为，当温度超过400℃时，钢材的流动应力表现出温度强化以及应变率软化效应，同时可以明显观察到材料硬化率的提高。而参数分析表明，若仅考虑钢梁在火灾升温过程中的材料软化及挠曲变形造成的几何非线性效应，而不考虑梁截面畸变影响，先爆炸、后火灾或先火灾、后爆炸，这两种加载方式对钢梁的影响主要集中于残余挠度的差异上，对梁其它性能的影响较小。当考虑加载过程中梁截面的畸变，爆炸(尤其沿梁平面外方向加载)可明显改变梁截面的抗弯刚度，从而使爆炸后梁的火灾行为与使用梁单元分析的结果产生大的差异。爆炸施加的角度影响梁的火灾-爆炸行为，沿梁负挠曲方向加载的爆炸作用，可使梁形成反拱，同时热膨胀导致梁轴力的增大，这有利于梁抗火性能的提高。分析结果还表明，当梁截面各分肢具有合理的高厚比或宽厚比时，可以保证梁较好的延性，而延性越好，梁在火灾-爆炸共同作用下将具有相对小的损伤。 2100433B

本项目进行了异形钢管混凝土柱框架节点抗震性能试验和数值分析研究。异形柱截面包括十字形和T形两种，均内置对拉钢筋加劲肋以延缓钢管的局部屈曲，增强对核心混凝土的约束效应。节点传力构造包括外环板和竖向肋板两种，外环板将钢梁翼缘拉力传递给柱钢管腹板，虽然对建筑室内空间略有干扰，但继承了圆形和方形钢管混凝土柱框架节点构造可靠的优势；竖向肋板虽然传力效果略低于外环板，但其对建筑室内空间无干扰，符合异形柱结构的建筑功能初衷。节点抗震试验在MTS协调加载系统下进行，梁、柱均取反弯点之间部分，端部边界条件均为铰接，在柱顶施加恒定竖向荷载和水平往复荷载。试验中得到柱端水平荷载-位移滞回曲线、梁弯矩-转角滞回曲线、节点核心区剪力-剪切变形曲线、梁柱弯曲变形曲线以及节点翼缘、腹板、外环板、竖向肋板应变曲线。结果显示两种形式异形钢管混凝土柱框架节点均能较为充分发挥钢梁的抗弯性能，刚度、承载力、变形能力和耗能性能均能满足抗震要求，其中外环板节点的承载力、延性、耗能等力学性能均略好于竖向肋板节点。各节点破坏模式均依次表现为钢梁翼缘屈服-柱钢管被拉脱开-外环板或竖向肋板与钢梁翼缘或柱钢管连接焊缝开裂。结合试验研究结果，本课题还深入进行了异形钢管混凝土柱框架节点抗震性能数值分析。应用数值程序分析了外环板和竖向肋板形状参数、柱轴压比、梁剪跨比等因素对节点抗震性能的影响规律，并提出了异形钢管混凝土柱框架节点简化设计方法和构造措施。本课题研究的外环板异形钢管混凝土柱框架节点和竖向肋板异形钢管混凝土柱框架节点具有优良的抗震性能，能够在高层建筑结构和较高抗震设防烈度地区的建筑结构中得到推广和应用。 2100433B

爆炸往往伴随着火灾，而火灾有时也会引起爆炸，研究钢结构在爆炸和火灾联合作用下的力学性能具有重要的理论和现实意义。本项目拟对不同约束条件下工字钢梁在高温下的抗冲击性能进行研究，包括理论分析、试验研究、计算机模拟以及参数讨论。通过对钢材进行高温下不同应变率的冲击试验，研究钢材在高温、高应变率下的力学性能，并拟合材性模型，确定相关参数，得到钢材的应力、应变、应变率和温度等参数之间的关系，将其应用到火灾和爆炸下的结构分析。应用给定的燃气爆炸荷载模型，研究钢梁在火灾和爆炸共同作用下的动力响应及破坏形态，考虑梁端约束情况包括轴向约束刚度、转动约束刚度的影响，推导复杂条件下单元刚度方程，编制有限元程序，计算不同温度下约束钢梁的抗冲击性能。通过参数分析，得到不同约束条件下工字钢梁极限温度和冲击荷载之间的关系，给出约束钢梁高温下抗冲击性能的计算方法。研究成果可为钢框架结构整体抗火、抗爆性能研究提供基础。