火灾后方钢管约束型钢混凝土柱轴压力学性能研究

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钢管约束型钢混凝土柱是一种继承钢管混凝土柱与型钢混凝土柱力学性能优势的钢-混凝土组合结构构件,具有出色的承载能力和良好的抗震性能,因此已在工程中得到了应用。目前钢管约束型钢混凝土柱在常温条件下的力学性能研究已经较为系统。而在抗火性能方面,现有研究主要集中在火灾下与火灾后圆钢管约束型钢混凝土短柱构件。考虑到实际工程中方形截面柱构件因容易满足建筑空间布置要求而应用频率较高,适用范围较广,但目前还未见方钢管约束型钢混凝土中长柱火灾后力学性能的研究报道。故本文对火灾后方钢管约束型钢混凝土柱的轴压力学性能进行了研究,具体内容如下:(1)开展了19个方钢管约束型钢混凝土短柱试件、6个方钢管约束型钢混凝土中长柱试件的温度场试验和火灾后轴压试验。研究了升温时间、混凝土强度、钢管含钢率和长细比对火灾后钢管约束型钢混凝土柱力学性能的影响。在温度场试验部分,依照ISO 834标准升温曲线控制升温过程中的环境温度,达到预定升温时间后停止加热使试验炉自然冷却,对试验炉内温度和测温试件各测点的温度进行实时监测记录。在轴压试验过程中,对试件的荷载随位移变化趋势以及试件钢管表面应变情况进行监测。根据试验结果,短柱构件的极限承载力随钢管含钢率和混凝土强度的增加以及升温时间的减小而提升,中长柱构件的极限承载力随长细比和升温时间的增加而降低。(2)利用ABAQUS有限元软件,建立了火灾后方钢管约束型钢混凝土柱的温度场有限元分析模型和火灾后力学性能有限元分析模型。对试验温度数据和轴压试件的荷载-位移数据进行了模拟验证。结果表明,本文建立的有限元模型能较准确地预测火灾后方钢管约束型钢混凝土柱的极限承载力以及荷载随位移变化趋势。(3)采用本文建立的火灾后方钢管约束型钢混凝土柱有限元模型,对火灾后方钢管约束型钢混凝土中长柱的受力机理进行了研究,发现轴压加载过程中构件混凝土分担荷载比例先减小后增大,型钢分担荷载比例变化规律反之。分析了ISO 834升温时间、截面尺寸、长细比、混凝土轴心抗压强度、型钢屈服强度、钢管屈服强度、型钢含钢率和钢管含钢率等8个参数对构件极限承载力的影响规律。考虑到构件内部材料受火后力学性能的衰退和中长柱构件的破坏受稳定控制,提出了火灾后方钢管约束型钢混凝土中长柱的抗弯刚度以及稳定承载力的计算公式。
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