端弯矩与端部约束对钢柱抗火性能的影响

基于有限元方法模拟约束钢柱在火荷载作用下的抗火行为,分析轴向约束刚度、转动约束刚度、同向曲率的端弯矩作用对其抗火性能的影响,探讨轴向约束刚度、转动约束刚度与临界温度之间的关系。通过对约束钢柱火灾下的受力及变形性能较为全面地进行参数分析,得出:轴向约束刚度比增大,钢柱临界温度降低;转动约束刚度比增大,临界温度升高;在轴向约束条件下,截面温度分布均匀时端弯矩作用使钢柱临界温度显著降低;截面温差为200℃时,端弯矩作用的不利影响更加明显,端弯矩作用越大,受约束钢柱抗火性能越低;具有转动约束的钢柱,约束作用较小时,端弯矩作用会对其抗火性能产生不利影响,约束作用较大时,端弯矩作用对其抗火性能影响较小;截面温差为200℃时,端弯矩作用下的转动约束钢柱临界温度值几乎与轴向荷载作用下相同。另外,划分了"安全区"和"非安全区"两个区域,在抗火设计中保证钢柱的温度在安全区范围内,钢柱的抗火能力即可满足要求;端弯矩作用对约束钢柱抗火性能具有不利影响,会使安全区范围缩小。     

火灾下圆钢管混凝土柱非线性有限元分析

首先提出合理的火灾下钢管混凝土拉、压材料数值热-力耦合本构模型及相应的计算方法;然后基于连续介质力学,推导火灾下U.L.列式虚功增量方程,采用非线性梁单元理论,给出火灾下钢管混凝土柱非线性有限元方程组的求解方法,编制非线性有限元程序NACFSTLF;最后对已有火灾下钢管混凝土柱的试验资料进行双重非线性有限元分析并考察钢管混凝土柱初始缺陷对其抗火性能的影响。分析结果表明:火灾下钢管混凝土柱的轴向变形-火灾时间曲线的计算结果基本上反映钢管混凝土柱的变形特性,而计算的耐火极限基本上是试验结果的上限;同时随着火灾下柱初始缺陷的增大,相同火灾时间下柱的跨中侧向挠度变形逐渐增大,耐火极限逐渐降低,而对柱的轴向变形影响相对较小。     

轴向约束梁柱在火灾引起温度沿截面不均匀分布条件下的大变形分析

火灾升温引起钢材强度和刚度降低,对温度沿截面分布不均匀的构件还将产生热弯曲,火灾下结构分析同时涉及几何非线性和材料非线性,无法求得解析解,只能通过数值方法求解.本文基于轴线可伸长梁理论,用勒让德多项式作为基函数逼近梁柱轴向和横向变形,根据平衡方程误差平方和最小的条件确定多项式系数的方法,分析了轴向约束钢柱在火灾引起的沿截面线性分布温度场下的受力和变形性能.考虑了温度梯度、轴向约束刚度比、荷载比、构件长度等参数的影响和升温条件下钢材的弹塑性性能的影响,该方法结果与解析结果和有限元分析结果吻合.研究表明,随着荷载比的增大构件的临界温度迅速降低,轴向约束刚度、温度梯度和构件长度仅影响构件的变形,对构件的临界温度影响较小.     

火灾后十字形型钢混凝土柱单向偏心受压力学性能试验研究

对4根十字形型钢混凝土柱进行了火灾后的力学性能试验研究,并按照ISO834标准升温过程曲线进行火灾试验。1根未受火试件作为对比。异形柱采用桁架式配钢形式,横向腹杆间距为260mm。试件通过静力荷载作用下的单向偏心受压试验,研究加载偏心距对力学性能的影响。通过试验,得出了试件的破坏形式以及极限承载力、截面平均应变分布、柱中侧向位移曲线、荷载-滑移曲线和截面特性。试验结果表明:(1)受火1小时后的十字形型钢混凝土柱仍然具有较高的竖向承载力;(2)试验测量的混凝土与槽钢之间滑移较小,说明型钢与混凝土之间能够协同工作,平截面假定在十字形型钢混凝土柱的截面中仍然适用;(3)在90°荷载角的作用下,十字形型钢混凝土柱会发生单向弯曲;(4)随着荷载的增加,挠度曲线存在水平段,说明火灾后型钢混凝土柱仍具有较大的后期变形能力,并且随着偏心距的增大,试件的变形能力更强。     

钢框架边节点抗火性能的试验研究

对8个H型截面钢框架边节点进行了抗火性能的试验研究。全部火灾试验在自行研制的火灾试验炉内进行,试验过程表明炉子性能稳定,使用方便。试验采用足尺试验形式,钢柱长3000mm,钢梁长1350mm,钢柱两端铰接,梁柱节点分为栓焊连接、全焊连接和端板连接。考虑节点形式、是否带加劲肋和端板连接节点的端板厚度三个影响因素。通过试验,得出了节点的破坏形式和节点转角随温度变化的规律。试验结果表明:火灾下,节点破坏的形式和节点的连接方式、是否带加劲肋有关;加劲肋的存在提高了端板连接节点的极限温度。     

火灾后T形型钢混凝土柱偏心受压力学性能试验研究

对7根T形型钢混凝土柱进行了火灾后的力学性能试验研究。火灾试验按照ISO834标准升温过程进行控制,1根未受火试件作为对比。T形型钢混凝土柱采用空腹式配钢形式,横向腹杆间距为200mm,试件通过偏心受压试验,考虑加载角和偏心距的影响。通过试验得到异形柱极限承载力、截面应变分布、荷载-挠度曲线以及截面特性。试验结果表明:(1)受火1h后,T形型钢混凝土柱仍然具有比较高的竖向承载力;(2)桁架式配钢方式以及合理的腹杆、箍筋布置保证了型钢与混凝土之间能够较好的协同工作,平截面假定对火灾后的T形型钢混凝土柱仍然适用;(3)荷载角和偏心距对试件的延性和变形能力影响显著。     

冻结黏土侧限压缩变形的S-M模型

为合理设计冻结壁及确保施工安全,掌握人工冻土侧限条件下压缩变形特性非常必要。对山西省某煤矿深部黏土在不同冻结温度、含水率下,采用分级加载的方式进行侧限一维压缩试验,得到一维压缩应力-时间-轴向压缩变形之间的关系,并根据曲线变化分析可知:同一含水率及加载应力下,温度越低,轴向压缩变形量越小;相同温度下,随着含水率和加载应力的增加,压缩变形量也逐渐增大。引入Singh-Mitchell(S-M)模型,同时考虑温度、含水率和加载应力为模型自变量,建立改进S-M模型,通过对轴向压缩变形取对数的方式计算改进S-M模型参数。将改进S-M模型计算结果与侧限一维压缩变形试验结果进行比较,研究发现:模型计算曲线与试验曲线吻合度较高,模型计算曲线能够反映冻土从初始变形状态到稳定变形状态的变形特性,能准确预测压缩变形曲线的变化趋势,且改进S-M模型涉及参数较少,实际应用价值高。     

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

超静定连续梁弹塑性过程分析的单位荷载法

讨论了分析超静定连续梁弹塑性受力和变形全过程的单位荷载法,运用该方法分析了集中荷载作用下一次超静定两跨连续梁的弹塑性加载和变形全过程．根据受力变形的特点,集中荷载作用下两跨连续梁的弹塑性加载过程可分为四个阶段,分别是弹性阶段、集中荷载作用点附近塑性区扩展阶段、集中荷载作用点保持为塑性铰而附近区域线性卸载阶段、两跨连接点附近塑性区扩展直至形成第二个塑性铰阶段．给出了加载过程中各阶段的弯矩内力和竖向位移随外荷载而变化的解析公式．研究结果表明：在相同的单跨荷载工况下,连续梁的变形过程不同于单跨一次超静定梁,其塑性铰形成顺序不同,静定结构形成顺序不同,但塑性极限破坏荷载相同．     

角钢约束混凝土中长柱轴压力学性能试验及承载力计算

为了研究角钢约束混凝土中长柱在轴压荷载作用下的力学性能,以长细比、缀板间距、混凝土强度等级为变化参数,完成了8个试件的静力加载试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取了其极限承载力、刚度、位移延性和耗能系数等力学性能指标;分析了各变化参数对力学性能指标的影响,利用统一强度理论、极限理论和叠加理论对试件的承载力进行计算。研究结果表明:长细比越小越容易发生柱端破坏,长细比加大后易发生柱中破坏;减小缀板间距,试件的极限承载力和变形能力均得到提高。随着混凝土强度等级的提高,试件的极限承载能力和初始弹性刚度得以提高,但位移延性和耗能能力有所降低。采用统一强度理论的计算值略大于试验值,采用极限分析理论和叠加理论的计算值均小于试验值。     

高温影响的钢管混凝土柱抗爆性能研究

火灾与爆炸通常相伴发生,对工程结构安全造成了严重威胁。为研究高温下钢管混凝土柱抗爆性能,采用ABAQUS有限元软件建立了ISO 834标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆模型。在验证有限元模型可靠性基础上,首先分析了标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆工作机理;其次重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及爆炸当量对构件在标准火灾下抗爆性能的影响。研究结果表明:火灾作用下两端固结的钢管混凝土柱受爆炸荷载时,柱两端首先发生剪切破坏,随后整体发生受弯破坏;随着受火时间增加,钢管耗能占比降低,混凝土塑性变形逐渐成为主要耗能机制;混凝土强度、爆炸当量与轴压比对钢管混凝土柱高温下抗爆性能影响明显,当混凝土立方体抗压强度从30 MPa增加到50 MPa,常温与受火90 min构件抗爆性能分别提高约21%与42%。     

方钢管混凝土短柱轴心受压承载力的神经网络模拟

由于方钢管混凝土的侧向约束机构复杂,对方钢管混凝土柱强度承载力的计算至今仍没有一种统一的方法。本文拟采用神经网络方法对轴心受压方钢管混凝土短柱的承载力进行模拟。以混凝土抗压强度、钢管的屈服强度、套箍指标、截面尺寸和宽厚比等五个参数为网络输入,以构件的极限承载力为网络输出,构建多层前馈神经网络来描述它们之间的非线性关系。利用55组试验数据对网络进行训练和测试,并将其预测值与三种承载力计算模型的预测值进行比较。对比结果表明本文建立的神经网络模型对55组试验数据给出了最好的模拟精度,可作为预测方钢管混凝土柱承载能力的一种新方法。     

火灾升降温模式对高温后钢筋混凝土轴压力学性能影响的试验研究

为研究实际火灾与标准火灾对高温全过程作用后钢筋混凝土力学性能的影响程度,进行了6根大尺寸钢筋混凝土短柱经历不同火灾模式的高温全过程作用后轴压力学性能试验。选择一典型住宅房间,根据欧洲规范得到了模拟火灾温度-时间曲线,利用等效曝火时间方法获得等效标准火灾,考察火灾模式、轴压比对高温全过程作用后钢筋混凝土承载力、刚度和延性的影响规律。试验结果表明:随着轴压比(n0.4)增大,高温后剩余承载力、刚度和延性损伤程度降低;火灾升降温模式影响显著。根据等能量法进行的火灾试验结果和模拟实际火灾试验结果吻合较好,而等面积法过于保守。建议相关规范采用基于能量的等效曝火时间方法进行抗火设计和火灾后剩余力学性能评估。     

薄壁钢管再生混凝土轴压实验研究

通过对9个薄壁圆钢管再生混凝土短柱和9个薄壁方钢管再生混凝土短柱进行的轴压试验研究,比较了三种方法测定试件轴向变形的差异,分析了不同取代率和不同截面形式薄壁钢管再生混凝土的破坏变形特征,并运用不同设计规程对薄壁钢管再生混凝土的承载力强度进行了计算分析。得出薄壁钢管再生混凝土的变形破坏形式与普通薄壁钢管混凝土相似,及再生混凝土取代率对试件极限承载力和变形能力有一定影响的结论。另外根据计算比较,得到各规程在计算薄壁钢管再生混凝土极限承载力时的适用性。     

长期持荷工况下钢管混凝土构件的抗撞击性能

为研究长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型以及撞击后剩余受压承载力计算模型。对比了一次加载模式下和长期荷载作用下构件遭受撞击的动力响应,采用剩余受压承载力系数量化分析了两种加载模式下构件的剩余受压承载力。典型的有限元模型分析表明:相较于一次加载模式,考虑长期荷载作用时撞击力峰值和平台值下降,撞击时间延长,构件跨中挠度增大,但撞击力对构件做功基本保持不变;考虑长期荷载作用的撞击过程轴向荷载做功比一次加载模式增大,增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散,核心混凝土贡献较小;长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式,撞击条件相同时,一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力;提高含钢率和钢材屈服强度、降低长期荷载比可有效减小长期荷载对构件抗撞击性能的不利影响。     

碳纤维约束高强混凝土圆柱压弯构件非线性全过程分析

为分析塑性铰区碳纤维约束高强混凝土圆柱的抗震性能,编制了可得到荷载-位移曲线软化段的非线性全过程分析程序,保护层和箍筋约束混凝土采用Mander本构模型,碳纤维约束混凝土采用ACI 440.2R-08给出的本构关系,将程序计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好;利用该程序分析了轴压比、混凝土强度、碳纤维包裹长度及层数、纵筋配筋率等参数对碳纤维约束混凝土圆柱荷载-位移关系的影响规律,结果表明:当轴压比超过0.55后,柱构件的水平承载力开始降低,柱的破坏形式由延性的受拉破坏向脆性的受压破坏转变;剪跨比大于3的圆柱,碳纤维在塑性铰区包裹长度大干1.2倍柱直径时,即可达到与全柱包裹基本一致的效果;对混凝土强度为50 MPa～80 MPa的高强混凝土圆柱,以包裹3～4层碳纤维为宜;随着纵筋配筋率的增加,柱的水平极限承载力及延性均有所提高.