約束鋼柱抗火性能試驗(yàn)與理論研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)抗火屬于被動(dòng)防火，目的是防止建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下發(fā)生倒塌，以保證建筑物內(nèi)的人員能夠安全撤離，消防隊(duì)員有充足的時(shí)間滅火，以及火災(zāi)后盡快恢復(fù)生活和生產(chǎn)。最初鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)是基于試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，即通過試驗(yàn)確定構(gòu)件的防火保護(hù)層厚度，使抗火試驗(yàn)中的構(gòu)件溫度小于規(guī)范規(guī)定的臨界溫度。但構(gòu)件的抗火試驗(yàn)不能反應(yīng)構(gòu)件在實(shí)際火災(zāi)下的受力性能，試驗(yàn)所得構(gòu)件的耐火時(shí)間與構(gòu)件在實(shí)際火災(zāi)下的耐火時(shí)間無直接聯(lián)系。目前鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谟?jì)算的設(shè)計(jì)方法，很多

2、國家都制定了相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范。各國的抗火設(shè)計(jì)規(guī)范都是將構(gòu)件從整體結(jié)構(gòu)中分離出來，通過保證單獨(dú)構(gòu)件在火災(zāi)下的安全來保證整體結(jié)構(gòu)的安全。但在局部火災(zāi)下，不同位置處的結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度不同，從而導(dǎo)致：(1)溫度較高構(gòu)件的熱膨脹受到周圍構(gòu)件的約束從而產(chǎn)生附加的內(nèi)力；(2)構(gòu)件的溫度不同導(dǎo)致構(gòu)件間的剛度比發(fā)生變化，從而引起內(nèi)力分配的變化。結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范尚不能體現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相互作用。 鋼柱作為框架結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件，進(jìn)行受約束鋼柱在火

3、災(zāi)下的受力性能研究尤為必要。對(duì)約束鋼柱在火災(zāi)下受力性能的研究成果包括約束鋼柱抗火試驗(yàn)，利用有限元方法進(jìn)行的受約束鋼柱受力性能的參數(shù)分析，約束鋼柱臨界溫度的計(jì)算方法等，但部分領(lǐng)域尚需做進(jìn)一步的研究。本文在前人成果的基礎(chǔ)上，對(duì)約束鋼柱的研究做了進(jìn)一步的探索，主要包括： (1)已有的足尺寸約束鋼柱抗火試驗(yàn)資料，未考慮屈曲后性能；另外考慮屈曲后性能的約束鋼柱抗火試驗(yàn)為小尺寸的鋼構(gòu)件，長(zhǎng)細(xì)比過大。本文進(jìn)行了一組足尺寸約束鋼柱抗火試驗(yàn)，同時(shí)

4、考慮了鋼柱所受到的軸向約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，對(duì)火災(zāi)下鋼柱屈曲前和屈曲后受力性能進(jìn)行了研究，給出了約束鋼柱的軸向變形—溫度關(guān)系曲線和撓度變形—溫度關(guān)系曲線； (2)約束鋼柱的抗火設(shè)計(jì)，需首先確定其受到的約束剛度的大小。本文給出了鋼柱所受約束剛度大小的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，鋼梁、混凝土樓板、粱柱節(jié)點(diǎn)以及鋼框架柱變形對(duì)約束剛度的貢獻(xiàn)分別通過彈性彈簧來表示，鋼柱所受到的約束大小可通過各彈簧的組合來計(jì)算； (3)對(duì)軸力作用下的約束鋼柱和軸力與彎

5、矩共同作用下的約束鋼柱在火災(zāi)下的受力性能進(jìn)行了參數(shù)分析，給出了約束鋼柱軸力—溫度的關(guān)系曲線和截面彎矩—溫度的關(guān)系曲線。另外，重點(diǎn)研究了各參數(shù)對(duì)約束鋼柱臨界溫度，約束鋼柱的臨界溫度與無約束鋼柱臨界溫度之間關(guān)系，以及約束鋼柱的屈曲溫度與臨界溫度之間關(guān)系的影響等； (4)給出了一個(gè)約束鋼柱抗火性能的高等計(jì)算方法，該方法利用變形后單元的弧線長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)處截面的轉(zhuǎn)角作為未知量，根據(jù)節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力和外力平衡建立控制方程，利用求解非線性方程組的算

6、法求解該方程，進(jìn)而得到約束鋼柱的軸力—溫度關(guān)系曲線。該曲線中軸力達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為約束鋼柱的屈曲溫度，鋼柱軸力回復(fù)至初始值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為約束鋼柱的臨界溫度。 (5)給出了一個(gè)約束鋼柱抗火性能的實(shí)用計(jì)算方法。確定約束鋼柱的屈曲溫度時(shí)，采用無約束鋼柱的抗火設(shè)計(jì)公式，但在計(jì)算鋼柱軸力時(shí)需考慮軸向約束的影響。確定約束鋼柱的臨界溫度時(shí)，采用屈服條件表示的軸力—彎矩相關(guān)關(guān)系，并假設(shè)鋼柱的軸力為其初始設(shè)計(jì)軸力。該簡(jiǎn)化公式的計(jì)算與ABAQ