正六边形孔蜂窝组合梁抗火性能研究

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蜂窝组合梁是通过在蜂窝钢梁和混凝土板之间设置抗剪连接件,抵抗两者在交界面处的掀起及相对滑移,使二者成为一个整体能够协同工作的新型组合梁。蜂窝组合梁在钢梁腹板上开孔,除具有钢-混凝土组合梁的优点外,腹板孔洞便于管线穿越,在有效降低楼层结构高度的同时节约钢材。蜂窝组合梁在实际工程中广泛应用于工业厂房、办公楼和停车场,同时也应用于旧建筑、工厂的加固改造。建筑物火灾发生频率高,高温导致材料力学性能劣化,构件承载力降低。研究蜂窝组合梁的抗火性能对于减小结构在火灾中的损伤,避免结构在火灾中的整体倒塌而造成的人员伤亡以及降低结构在火灾后的修复费用,具有重要意义。现有对蜂窝组合梁抗火性能的研究多为有限元模拟分析,抗火试验较少,试验对象多为涂抹防火涂层的蜂窝组合梁和缩尺的蜂窝组合梁。基于此,本文对3个两端简支的足尺正六边形孔蜂窝组合梁在正常使用荷载下的抗火性能进行试验研究,共升温120min,考虑开孔率和是否增设加劲肋两个参数。探究不同参数下蜂窝组合梁的温度场分布、位移变化和破坏特征。通过试验研究与有限元模拟分析相结合的方法得出以下主要结论:(1)两端简支的正六边形孔蜂窝组合梁在升温120min后整体发生弯曲破坏,钢梁腹板局部屈曲,腹板孔角撕裂。混凝土板顶裂缝主要由分布在板内栓钉上方的纵向裂缝以及两端支座上方的“八”字形斜裂缝组成,混凝土板底大面积爆裂。三试件的水平位移均在升温过程中第80min时达到峰值。(2)正六边形孔蜂窝组合梁升温0min-10min内同一测点组各测点温度比较接近,升温10 min时,钢梁与混凝土板内测点存在明显的温度梯度,温差最大处可达200℃。升温10min后,不同于普通组合梁,蜂窝组合梁的腹板升温速率最快,下翼缘与腹板温度高于上翼缘,混凝土板与钢梁上翼缘存在明显的热交换现象,二者互相约束彼此的变形。(3)在其他参数不变的情况下,正六边形孔蜂窝组合梁的开孔率和是否增设加劲肋对其在火灾下的温度场分布影响较小。(4)在其他参数不变的情况下,是否增设加劲肋在0min-78min对试件的竖向挠度几乎没有影响,在升温第78min后两试件竖向挠度出现较大差距。增设加劲肋能够增强火灾下腹板的局部稳定性,增设加劲肋的蜂窝组合梁与未增设加劲肋的蜂窝组合梁相比抵抗变形的能力提高了7.26%。(5)与开孔率60%的蜂窝组合梁相比,开孔率70%的蜂窝组合梁对腹板的削弱程度较大,在其他参数不变的情况下,将蜂窝组合梁的开孔率从70%降低至60%其抵抗变形的能力提高了13.53%。(6)对受简支约束的正六边形孔蜂窝组合梁进行ABAQUS有限元模拟分析,本文所使用的模型能够较好的模拟不同开孔率和带有加劲肋的蜂窝组合梁在火灾下的温度场分布和变形,验证了有限元模拟分析的正确性。该模型可为正六边形孔蜂窝组合梁抗火性能的有限元模拟分析提供参考。
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