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加筋钢管混凝土柱的耐火性能研究

作　者: 魏锦
导　师: 赵均海
学　校: 长安大学
专　业: 结构工程
关键词: 双剪统一强度理论加筋钢管混凝土柱 Rankine公式耐火性能温度场
分类号: TU398.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

加筋钢管混凝土柱是在普通钢管混凝土柱的核心混凝土中配置考虑耐火因素的钢筋,从而不需施以防火保护就可以达到所要求的耐火极限的一种结构形式。它不仅具备普通钢管混凝土柱承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便以及经济效果好等优越的力学特性,还具有较好的耐火性能,是一种发展前景广阔的结构形式。国外对这种结构形式的钢管混凝土柱的研究较多,国内则鲜有研究。本文采用理论推导和非线性有限元模拟相结合的方法,分析火灾作用下加筋钢管混凝土柱的耐火性能,从而为确定复式钢管混凝土柱的抗火设计方法提供一些理论基础。基于本文所做的理论分析和数值模拟,可以得到以下结论:首先,依据双剪统一强度理论研究普通钢管混凝土柱的轴心受力问题,充分考虑紧箍力对钢管和核心混凝土的双向影响,从而得到钢管混凝土轴压短柱的承载力计算式,并与试验数据进行了对比分析,结果吻合良好。并对双剪统一强度理论中的参数进行讨论,确定各参数的取值。然后将其推广到加筋钢管混凝土柱,使得方形和圆形加筋钢管混凝土柱的承载力有了统一的表达式。其次,详细介绍了Rankine公式的由来和表达式的推导过程,并将本文得到的常温下的加筋钢管混凝土柱的承载力公式应用到Rankine公式中,用常温下柱子的塑性破坏能力和弹性屈曲能力来表示柱子的耐火能力,从而推导出钢柱和钢管混凝土柱耐火性能的理论公式。通过一个方形加筋钢管混凝土柱实例进行了验证和各影响因素分析,以及采用文献中的试验数据进行对比分析,结果显示,Rankine法可以提供正确而且安全的解。最后,采用ANSYS瞬态热应力分析的间接法分析加筋钢管混凝土柱的耐火性能,在确定钢材和混凝土的热工性能参数和本构关系的基础上,建立有限元模型,进行温度场分析和热一结构耦合分析。在热分析时,它的温度场可表示为柱内无热源的第一类边界条件的二维不稳定温度场,从而得到构件截面在不同时刻的温度场分布云图,从图中可以看到:构件截面外边缘等温线与截面形状近似,随着温度的升高,先从四个角开始退化,并逐渐向截面内部延伸,截面内部等温线逐渐趋于圆形。在热分析后,将模型中的热单元转换为相应的结构单元,并设置结构分析中的材料属性,将热分析结果作为体荷载施加到模型上进行热应力计算。本文通过对加筋钢管混凝土柱耐火性能的理论推导和有限元分析,了解了钢管混凝土柱在火灾下的耐火性能以及温度场变化情况,为钢管混凝土的进一步研究奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章绪论  15-21
  1.1 钢管混凝土柱耐火性能的研究现状  15-19
    1.1.1 钢管混凝土柱在火灾作用下的力学性能研究现状  15-18
    1.1.2 钢管混凝土柱耐火性能研究方法  18-19
  1.2 本文的研究内容和方法  19-21
第二章双剪统一强度理论简介  21-27
  2.1 双剪统一强度理论的表达式  21-25
  2.2 双剪统一强度理论的意义  25-27
第三章加筋钢管混凝土柱承载力研究  27-35
  3.1 普通钢管混凝土柱承载力  28-33
    3.1.1 钢管混凝土柱承载力  28-30
    3.1.2 关于k值的讨论  30-31
    3.1.3 关于b值的讨论  31-32
    3.1.4 计算结果分析  32-33
  3.2 加筋钢管混凝土柱承载力  33-34
    3.2.1 加筋圆钢管混凝土柱承载力  33
    3.2.2 加筋方钢管混凝土柱承载力  33-34
  3.3 本章小结  34-35
第四章加筋钢管混凝土柱的耐火性能  35-55
  4.1 Rankine公式的由来和表达式  35-39
  4.2 Rankine公式的应用  39-50
    4.2.1 Rankine公式计算钢柱在火灾条件下的性能  39-41
    4.2.2 Rankine公式在加筋钢管混凝土中的应用  41-47
    4.2.3 偏心受力的加筋钢管混凝土柱实例  47-50
  4.3 试验验证  50-51
  4.4 Rankine公式各参数分析  51-53
    4.4.1 配筋率的影响  51-52
    4.4.2 时间的影响  52-53
    4.4.3 偏心距的影响  53
  4.5 本章小结  53-55
第五章钢管混凝土柱耐火性能的有限元分析  55-73
  5.1 标准火灾和温度-时间曲线  56
  5.2 材料的热工性能  56-61
    5.2.1 钢材的热工参数  56-59
    5.2.2 混凝土的热工参数  59-61
  5.3 材料的力学性能  61-65
    5.3.1 钢材的力学性能  61-62
    5.3.2 混凝土的力学性能  62-65
  5.4 有限元模型的建立  65-67
    5.4.1 基本假设  65
    5.4.2 单元类型的选取  65
    5.4.3 截面边界传导条件  65-66
    5.4.4 分析的主要步骤  66
    5.4.5 力学计算模型  66-67
  5.5 耐火极限的有限元分析  67-72
    5.5.1 温度场分析  67-68
    5.5.2 参数分析  68-70
    5.5.3 热-结构耦合分析  70-72
  5.6 本章小结  72-73
结论与展望  73-76
参考文献  76-80
攻读学位期间取得的研究成果  80-81
致谢  81

加筋钢管混凝土柱的耐火性能研究

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