论文部分内容阅读
火灾是发生十分频繁的灾害,建筑火灾对人的生命和财产安全构成了很大威胁。高层及超高层建筑消防灭火困难,高层及超高层建筑遭受火灾的可能性大大增加。对遭受火灾的建筑结构进行性能评估可为火灾后建筑结构的修复、加固提供参考依据,可见建筑结构火灾后性能评估十分重要。型钢混凝土结构是将型钢与混凝土两种材料组合而成,具有承载能力高、抗震性能好等优点。作为型钢混凝土结构主要形式之一,型钢混凝土框架结构在高层及超高层建筑结构中应用十分广泛,对遭受火灾的型钢混凝土框架结构的力学性能进行评估可为火灾后型钢混凝土框架结构的修复加固和重新利用提供参考依据。因此,对火灾后型钢混凝土框架结构力学性能评估的研究具有十分重要的理论意义和应用价值。本文围绕火灾后型钢混凝土框架结构的力学性能评估方法,主要开展了如下研究工作: (1)火灾后偏心受压型钢混凝土柱力学性能试验研究 考虑受火时间、火灾荷载比、含钢率等参数的影响,进行了考虑火灾作用全过程的火灾后偏心受压型钢混凝土柱力学性能试验。通过试验,对受火全过程中柱截面的温度场变化及柱的变形性能,以及火灾后型钢混凝土柱的破坏特征、承载性能等进行了系统的试验研究。试验结果表明,与炉温相比,柱截面各测点温度升高呈现出滞后现象,测点越往里,温度升高滞后越明显;即使在炉温的降温阶段,型钢混凝土柱也可能发生破坏;火灾后柱温度降至室温时,柱存在残余变形。在试验研究基础上,进一步分析了受火时间、荷载比和含钢率等参数对火灾后剩余承载力韵影响。研究表明,随着受火时间和荷载比的增大,火灾后剩余承载力逐渐减小;随着含钢率的增大,剩余承载力逐渐增大。 (2)火灾后偏心受压型钢混凝土柱偏心距增大系数研究 在试验研究的基础上,对经历火灾全过程的火灾后偏心受压型钢混凝土柱偏心距增大系数进行了理论分析。以极限曲率为参数,考虑柱长细比和轴压比的影响,在考虑受火最高温度对火灾后材料性能影响的基础上,基于柱的平衡条件推导了火灾后偏心受压型钢混凝土柱偏心距增大系数的计算公式,计算结果表明,本文给出的计算公式计算结果与试验结果吻合较好。该计算公式应用简便,实用性强,可为工程设计提供参考。 (3)火灾后型钢混凝土柱力学性能有限元分析模型的建立 首先选择合适的混凝土和钢材的热工参数,建立了火灾作用全过程的型钢混凝土柱温度场计算模型。并与温度场试验结果对比,验证了模型的正确性。之后,通过选择合适的火灾升温阶段、降温阶段及火灾后阶段不同阶段混凝土及钢材本构模型,建立了考虑升温、降温及火灾后三个阶段的火灾后型钢混凝土柱力学性能有限元分析模型。同时,模型中考虑了混凝土瞬态热应变及钢材高温蠕变的影响。在上述基础上,通过在ABAQUS软件平台上通过编制子程序USDFLD实现了不同阶段材料本构模型的转换及计算。最后,通过与试验结果对比表明,模型具有良好的精度,该模型为火灾后型钢混凝土框架结构力学性能分析提供可靠的方法。 (4)火灾后型钢混凝土柱恢复力计算模型的建立 本文在已有大比例型钢混凝土柱温度场和火灾后抗震性能试验结果的基础上,考虑受火时间、轴压比的影响,通过理论推导和回归分析,提出了以开裂点、屈服点、峰值点和极限点为特征点的型钢混凝土柱恢复力-位移骨架曲线,并给出了这些特征点的计算公式。同时,通过对试验数据的回归,得出卸载刚度与弹性刚度之间的关系。在上述工作的基础上提出了火灾后型钢混凝土柱的四线型荷载-位移恢复力模型,通过与试验结果的对比表明,本文建议的四线型恢复力模型与试验结果吻合较好。本文提出的模型可用于火灾后型钢混凝土柱抗震性能的评估以及非线性地震反应分析。 (5)火灾后型钢混凝土框架力学性能试验研究 考虑受火时间、荷载比等参数的影响,进行了考虑火灾全过程的火灾后型钢混凝土框架结构力学性能试验研究,对型钢混凝土框架结构的耐火性能、火灾后型钢混凝土框架结构破坏形态、变形性能以及火灾后剩余承载力进行了研究。试验结果表明:火灾后型钢混凝土框架梁发生弯剪破坏时的破坏形态与常温下框架梁基本相同,剪压区混凝土均出现部分脱落;随着受火时间的增加,型钢混凝土梁的剩余承载力逐渐减小。 (6)火灾后型钢混凝土框架力学性能有限元分析模型的建立 在试验研究的基础上,考虑型钢与混凝土、钢筋与混凝土之间粘结滑移的影响,考虑升温、降温及火灾后各阶段材料本构关系的不同特点,建立了考虑升降温全过程的火灾后型钢混凝土框架结构力学性能分析模型。计算结果与试验结果吻合较好,可见,本文提出的模型是正确的。利用上述模型进一步分析了升降温及火灾后各阶段型钢混凝土内力的变化规律以及应力的变化规律。 本文为火灾后型钢混凝土框架结构的性能评估提出了基本方法和基本理论。