梁端约束蜂窝组合梁抗火性能试验研究

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蜂窝组合梁是在传统组合梁基础上,对钢梁腹板进行不同形状的开孔设计,来满足节约钢材、降低层高、方便管道铺设等要求的新型组合结构,可适用于大跨度结构或多层建筑。目前,国内外关于蜂窝组合梁抗火性能的研究较少,且在梁端约束蜂窝组合梁抗火性能研究方面存在空白。因此,本文对6个梁端约束蜂窝组合梁进行恒载升温试验和数值模拟分析,研究不同孔形(圆孔和正六边形孔)、不同梁端约束(铰接节点和刚接节点)和不同板厚(100mm和120mm)蜂窝组合梁的抗火性能,分析蜂窝组合梁火灾全过程的温度分布、位移变化和破坏形态。本文主要研究结论如下:(1)升温阶段初期,蜂窝组合梁端部板面率先出现伴有水迹的横向裂缝和斜裂缝,且裂缝在升温阶段逐步延伸和扩展;升温阶段中期,蜂窝组合梁板面依次出现水迹、水湾、水汪和水蒸气;升温阶段后期,蜂窝组合梁板面水迹逐渐变干消失,竖向挠曲变形和板面倾斜明显。降温阶段,蜂窝组合梁板端原有斜裂缝和板面横向裂缝基本消失,新产生与原有斜裂缝发展方向相反的斜裂缝。停止升温后,蜂窝钢梁上部板面形成多条纵向裂缝,且裂缝在降温阶段进一步形成、延伸和扩展。(2)梁端约束的存在促使板端裂缝更加复杂,损伤更加严重。在相同孔形和板厚条件下,刚接约束蜂窝组合梁的板面倾斜程度要比铰接约束蜂窝组合梁小。(3)梁端约束的存在导致钢梁端部腹板和下翼缘局部屈曲严重,下翼缘局部屈曲主要位于梁端第一开孔处;孔间腹板形成不同程度的屈曲变形,端部孔间腹板呈“S”形变形,中部孔间腹板呈“C”形变形;蜂窝钢梁在受拉区域整体扭转变形,且正六边形孔蜂窝钢梁的下翼缘扭转角度要大于圆孔蜂窝钢梁;火灾后的梁端节点破坏严重,刚接节点上下翼缘焊缝存在不同程度的断裂;L6蜂窝组合梁距梁端最近的正六边形孔孔角腹板出现开裂。(4)圆孔和正六边形孔蜂窝组合梁的温度分布基本一致,且蜂窝钢梁孔间腹板和孔边腹板温度变化相差不大。(5)在相同梁端约束和板厚条件下,圆孔和正六边形孔蜂窝组合梁的跨中竖向挠曲变形基本一致,说明孔形对蜂窝组合梁的承载性能影响不大;板厚对高温作用下的蜂窝组合梁承载性能影响不大;升温30min-40min后,刚接约束蜂窝组合梁的跨中竖向挠曲变形要大于铰接约束蜂窝组合梁;与铰接约束蜂窝组合梁相比,刚接约束蜂窝组合梁的变形恢复比例要小,且正六边形孔蜂窝组合梁的恢复变形比例要小于圆孔蜂窝组合梁。(6)升温阶段初期,蜂窝组合梁快速增大的轴压力是导致钢梁腹板和翼缘局部屈曲的重要原因;刚接约束蜂窝组合梁的梁端膨胀量要明显大于铰接约束蜂窝组合梁;蜂窝组合梁的轴压力在升温阶段先增大后减小。(7)利用ABAQUS有限元软件对梁端约束蜂窝组合梁进行热-力耦合分析,获得模拟与试验的温度-时间曲线和跨中竖向位移-时间曲线,发现数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证有限元模型的正确性和有效性。
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