【毕业学位论文】高温下圆钢管混凝土柱抗火性能研究-结构工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目 高温下圆钢管混凝土柱 抗火性能研究 学科、专业 结 构 工 程 研究生姓名 温 海 林 导师姓名及 专业技术职务 余志武 教授 二六年四月 硕士学位论文 摘要 I 摘 要 钢管混凝土结构由于其自身特殊的优点， 使其在技术经济上优于其他结构， 因而国内外学者对钢管混凝土结构的力学性能和设计方法进行了大量的研究上作。 但国内学者对高温下钢管混凝土的抗火性能研究不多。 本文对高温下钢管混凝土的抗火性能进行了试验研究和理论分析，具体研究内容如下： 1、论文对国内外的有关成果进行了分析和整理，合理选择了钢材和混凝土在高温下的热工性能， 利用数值方法模拟了钢管混凝土柱的截面温度场。进行了圆钢管自密实 混凝土柱的温度场试验研究，进一步验证温度场理论计算方法的准确性。 2、合理选择组成钢管混凝土的钢材及混凝土热力本构关系模型的基础上， 利用数值方法模拟火灾下钢管混凝土柱变形火灾持续时间全过程曲线，理论计算结果与试验结果吻合得较好。 3、利用数值方法模拟分析了钢材屈服强度、混凝土强度、钢管直径、长细比、荷载偏心率、 含钢率和轴压比对火灾下裸钢管混凝土柱耐火极限的影响规律。 对进一步完善钢管混凝土结构抗火设计方法具有参考的价值。 关键词： 钢管混凝土柱，耐火极限，温度场，全过程分析 硕士学位论文 摘要 he is to in of on on of on in a of at of as (1) On of of s in is to of of of it to of (2) A of is in be of of to on of of s of of (3) of is in on of on is It of of to of on 硕士学位论文 摘要 士学位论文 录 第一章 绪论 .钢管混凝土的特点 .钢管混凝土的应用现状 . 钢管混凝土国外的发展和应用 . 钢管混凝土国内的发展和应用 .钢管混凝土抗火研究现状 . 国外的研究状况 . 国内的研究状况 .本文的研究的目的和研究方法 .二章 钢管混凝土柱温度场的非线性分析 . 11 引言 .火灾温升曲线 .高温下混凝土的热工性能 . 混凝土导热系数 . 混凝土的比热和质量密度 .高温下钢材的热工性能 . 导热系数 . 钢材的比热和质量密度 .热传导方程 . 高温下钢管混凝土热传导方程及定解条件 .钢管混凝土温度场的非线性分析 . 单元划分和温度场的离散 . 三角单元变分计算的格式 . 温度插值函数 . 温度场单元变分计算 . 温度场的总体合成 . 线性方程组的求解 .四面均匀受火时钢管混凝土柱温度场数值仿真分析 .士学位论文 V 仿真分析 . 试验验证 . 参数分析 . 构件截面温度场分布 .小结 .三章 高温下钢管自密实混凝土柱温度场的试验研究 .引言 .温度场实验研究 . 试验概括 . 试验设备和实验方法 . 试验现象 . 试验结果与计算结果的比较 .小结 .四章 钢管混凝土柱耐火全过程分析 .引言 .钢材的高温力学性能 . 高温下钢材的本构关系 . 热膨胀系数 .混凝土的高温变形 . 恒温下混凝土的应力应变关系 . 热膨胀系数 . 恒定压应力下混凝土的瞬态热应变 .温度应力途径及其分解 . 恒温加载途径下的应变增量 . 恒载升温途径下的应变增量 . 短期高温徐变 .高温变形的组成分量 .元的理论基础 .高温下钢管混凝土柱耐火全过程分析 . 元使用 . 非线性方程组的求解和收敛准则 . 试验验证 .钢管混凝土柱耐火极限的参数分析 .士学位论文 钢管混凝土柱耐火极限的简化公式 .小结 .五章 结论与展望 .结论 .展望 .考文献 . 谢 .读硕士学位期间参与科研及发表论文情况 .、参与科研项目 .、发表论文 .士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 钢管混凝土的特点 钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而形成的构件。它是在劲性混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢管结构基础上演变和发展起来的一种新型结构1,2。 钢管混凝土按截面形式不同，分为圆形截面钢管混凝土、方形截面钢管混凝土和矩形截面钢管混凝土等，如图 1文主要研究圆形截面钢管混凝土。 (a) 圆形 (b) 正方形 (c) 矩形 图 1 常见钢管混凝土构件的截面形式 实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土构件可分为两种形式：一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期就共同受力，如图 1-2(a)所示；二是外加荷载仅作用在核心混凝土上，钢管只起对核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱，如图 1-2(b)所示。 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用， 由于钢管对混凝土的约束作用，混凝土处于复杂应力状态下，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性大为改善， 如图 3 所示为钢管混凝土在轴心受压荷载作用下时其钢管混凝土的受力状态示意图。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。总之，通过钢管和混凝土组合而成的钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点，这也是钢管混凝土组合结构的优势所在。 硕士学位论文 第一章 绪论 2 (a) 钢管混凝土 (b) 钢管约束混凝土 图 2 钢管混凝土和钢管约束混凝土 (a) 核心混凝土 (b) 钢管 图 3 钢管和混凝土的受力状态示意图 钢管混凝土结构利用钢和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约， 使其具备了优异的工作性能。其主要优点有3,4,5： 1、承载力高。 对于空钢管来说，其临界承载力极不稳定，因为它对局部缺陷很敏感。试验证明对薄壁钢管来说：薄壁钢管的实际承载力只有理论计算值的 1/3 1/5，当有焊接残余应力存在时，影响可能更大。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土构件后，钢管约束混凝土，在轴心荷载作用下，混凝土三向受压，可延缓其受压时的纵向开裂，从而使钢管混凝土具有较高的承载力。混凝土的存在延缓或避免钢管过早的发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。 2、塑性和韧性好。 混凝土脆性较大，对于高强混凝土更是如此，其工作可靠性降低6,7。 如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有较大的塑性变形。此外，这种结构硕士学位论文 第一章 绪论 3 在承受冲击荷载和震动荷载时，也有很大的韧性，其力学性能则大大改善8。 3、施工方便。 与钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱时没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。因钢管内无钢筋，混凝土浇灌更为方便，特别是目前采用泵送混凝土和自密实混凝土等工艺，更可加速钢管混凝土的施工进度。与预制钢筋混凝土构件相比，钢管混凝土不需要构件预制场地。 与钢结构构件相比，钢管混凝土的构造通常更为简单，因而焊缝少，更易于制作。特别是在钢管混凝土中可更为广泛地采用薄壁钢管，因而进行钢管的现场拼接比焊接更为简单快捷。此外，由于空钢管构件的自重小，可以减少运输和吊装等费用。 4、耐火性能较好。 由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间具有相互贡献、 协同互补和共同工作的优势，使这种结构具有较好的耐火性能。 发生事故的我国南方某玻璃厂的一玻璃熔窖9，窖底采用钢管混凝土柱， 凝土，构件截面尺寸为 2192，柱高 子与基础固接。柱顶支撑熔窖，柱中部支撑外围钢走道平台。该厂投产时，熔窖出液体忽然发生迸裂， 高温玻璃溶液喷泻， 致使窖底正面一根柱被玻璃液包裹达 3m 深，另一根柱根部积液深度约 40口溶液温度达 1300以上，高温溶液包围柱子数小时。在清除了冷却的玻璃凝块后，发现钢管混凝土柱底有外凸现象发生，最大凸位移达30故发生时，柱子承受约70的设计荷载，但柱子的整体性一直保持良好，避免了熔窖崩塌的重大事故。 虽然建筑火灾与上述情况有所不同， 但该次事故却可以很好的说明钢管混凝土柱在高温下具有良好的工作性能。 另外，火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土结构在屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复，截面的力学性能比高温下有所改善，结构的整体性比火灾中也将有所提高， 这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安全的工作环境，也可减少补强的工作量，降低维修费用，这和火灾后的钢筋混凝土结构与钢结构有所不同。这是因为对于钢筋混凝土结构，其已改性的破坏截面的力学性能和整体性均不能因温度的降低而有所恢复或改善。对于钢结构，其已发生失稳和扭曲的构件在常温下不会恢复，其安全性降低。 5、经济效益好。如前所述，作为一种较为合 理的结构形式，采用钢管混凝土可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜力， 使材料得到更为充分和合理的应用，因此，钢管混凝土具有良好的经济效果。 大量工程实践表明： 采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件硕士学位论文 第一章 绪论 4 可节约混凝土 50，减轻结构自重 50左右，钢材用量略高；和钢结构相比，可节约钢材 50。 钢管混凝土的应用现状 钢管混凝土国外的发展和应用 从 1897 年美国人 钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱 (称为 )并获得专利算起， 钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有一百多年的历史。 钢管混凝土优越的力学性能， 一开始就受到美欧各国土木工程界的重视，竞相开发和利用。上世纪 20 年代前后，在美国的波士顿、纽约和芝加哥等地，曾将其应用于单层和多层厂房建筑 (最高到六层 )的承重柱。 1930 年在法国巴黎郊区的 方用以建造一座 9m 跨度的上承式拱桥。 1937 年在苏联列宁格勒 (圣彼得堡 )用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋， 建造了横跨涅瓦河 101m 跨度的下承式拱桥。 1939 年又在西伯利亚河上建成了跨度 140m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。 1960 年前后，钢管混凝土结构技术在苏联、西欧 、北美和日本等工业发达国家受到重视，开展了大量的试验研究工作，曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用。 但终因管内混凝土的浇灌工艺未得到很好解决，现场的施工操作显得繁琐，使钢管混凝土在施工性能方面的潜在优势未能得到应有的发挥。相比之下，人们仍宁愿采用操作简单、质检直观的普通钢筋混凝土结构或工厂化程度高、 现场劳动量少、 吊装轻便、 施工快速的钢结构。20 世纪 80 年代后期，由于先进的泵送混凝土工艺的发展，解决了现场钢管内混凝土的浇注工艺问题，加以现代混凝土需要用钢管套箍克服其脆性，因此在美国和澳大利亚等国的若干高层建筑工程中，钢管混凝土结构技术又悄然兴起，传统的钢柱被钢管混凝土柱替代，并被认为是高层建筑营造技术的一次重大突破。 表 外采用钢管混凝土的多、高层和超高层建筑5序号 建筑物名称 地点 层数高度/m 钢管最 大尺寸 混凝土标号 建成 年份 柱横截面形式1 尔本 43 160 950 992 2 雅图 56 220 3200 989 3 T 芝加哥 62 270 2740 989 圆形 硕士学位论文 第一章 绪论 5 钢管混凝土国内的发展和应用 钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有近 40 年的历史。 1963 年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。随后，又在冶金、造船、电力等行业的单层厂房和重型构架中得到成功的应用2， 20 世纪 80 年代，根据建设部科技发展计划，在我国开展了较系统的科学试验研究，使钢管混凝土结构的计算理论和设计方法取得了长足的进展，已形成一套能满足设计需要的计算理论和设计方法。在总结我国钢管混凝土科研、设计和施工所取得的成就基础上，编制了钢管混凝土结构设计与施工规程 (90) 10。 近年来，由于钢管混凝土结构在结构性能和施工工艺上的众多优点以及钢管混凝土结构设计与施工规程 ( 90)的指导，钢管混凝土结构在土木工程建筑中悄然兴起，成为建筑结构体系中的重要形式。钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载方向的发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而被越来越广泛的应用于单层和多层厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥架、地铁站台柱、送变电杆塔、空间结构、高层和超高层建筑以及桥梁结构中。 表 内采用钢管混凝土的多、高层和超高层建筑5序号 建筑物名称 地点 层数高度/m 钢管最 大尺寸 混凝土 标号建成 年份 柱横截面形式1 邮电中心 泉州 16 800 990 2 陆海工程 上海 25 300 999 3 阜康大厦 厦门 27 1000 994 4 金源大厦 厦门 30 900 995 5 南安邮电局 福建 30 99 720 997 6 天信大厦 天津 28 100 1220 997 7 重庆环球广场 重庆 33 800 998 8 好世界广场 广州 36 1200 995 9 世界金融中心 北京 36 120 1400 998 10 工商银行大厦 天津 32 120 1020 997 11 联通枢纽大厦 哈尔滨 37 1000 003 12 今晚报大厦 天津 40 137 1020 995 13 新中国大厦 广州 56 1400 999 圆形 硕士学位论文 第一章 绪论 6 14 京光广场 广州 60 220 1600 15 赛格广场 深圳 76 1600 999 16 江南中心 广州 58 1200 钢管混凝土抗火研究现状 火灾是各种自然灾害中最危险、最常见、最具毁灭性的灾种之一。火灾出现的概率之高，以及它对可燃物的敏感性和燃烧蔓延的快速都是惊人的，火灾给人类带来了巨大的灾难11,12。 建筑物发生火灾则会毁掉人类经过辛勤劳动创造的物质财富， 使工厂、 仓库、城镇、乡村和大量的生产生活资料化为乌有，给社会造成巨大损失。 2003 年 11月 3 日凌晨 5 时许，湖南省衡阳市一栋 8 层商居楼发生特大火灾，到 8 时 30 分，火势基本得到控制，这时楼房突然整体倒塌，致使正在扑救余火的多名消防官兵被掩埋在废墟中，最终造成 20 名消防官兵壮烈牺牲， 16 人受伤，经济损失惨重，更产生了深刻的政治影响。 2001 年发生了举世震惊的 件，美国国贸大厦因飞机撞击起火，导致国贸大厦姊妹楼整体倒塌，严重影响了美国的金融和经济秩序，不仅造成了难以估量的经济损失，更给世界经济和政治乃至人们的心理带来了深刻的影响。 2003 年 11 月 24 日凌晨 2 时 30 分许（莫斯科时间） ，俄罗斯莫斯科西南部的卢蒙巴人民友谊大学一栋高 5 层的学生宿舍楼发生火灾， 宿舍楼2 层至 5 层被烧，火灾面积达 1000 多平方米，并造成 37 人死亡， 100 多人受伤。人民友谊大学在俄罗斯综合排名第三，是世界有影响的大学。火灾使学校损失惨重，影响巨大，给我们的教训也十分深刻。据统计，发达国家和地区每年火灾损失达几十亿美元，占国民经济总产值的 1%。以 1991 年为例，日本火灾直接经济损失为 7900 亿日元， 占国民生产总值的 美国火灾直接损失为 140亿美元，占国民生产总值的 英国火灾直接损失为 1300 亿英镑，占国民生产总值的 台湾 1991 年火灾直接经济损失为 29 亿台币。 随着我国国民经济的发展和综合国力的增强，现代化建筑的层数越来越高、跨度越来越大、功能越来越复杂，这就给建筑火灾的扑救带来了极大的困难。因此，提高建筑物本身的抗火能力就成了建筑防火的关键性问题。而钢管混凝土在建筑工程中的广泛应用， 同时由于火灾给社会生产和生活带来无法弥补的巨大损失，因此研究钢管混凝土柱的抗火设计方法具有实用意义和重要的理论价值13。 建筑结构抗火性能研究的目的一方面是为了建立一套合理、方便、适用的结硕士学位论文 第一章 绪论 7 构抗火设计方法，另一方面是为了对建筑结构火灾损伤程度做出科学、准确的评价，并据此制订受损结构的修复加固方案。 国外的研究状况 了解国内外钢管混凝土的研究现状可以进一步指导研究工作。 1985）采用有限元方法和纤维模型法分为计算了圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱截面温度场分布和构件的耐火极限14。 1988b）报道了两个核心混凝土圆柱体强度为 90钢管混凝土柱耐火极限的实验结果，其中一个试件的核心混凝土中还配置了钢纤维。为了考查混凝土强度的影响规律，进行了两个钢管普通混凝土柱耐火极限的对比实验。火灾时作用在柱构件上的荷载比为 究结果表明，通过在高强混凝土中配置钢纤维可以有效的提高钢管高强混凝土柱的耐火极限15。 O（ 1991）提出了一种计算钢管混凝土柱耐火极限和荷载变形关系的数值计算方法，并对大量实验结果计算了验算。理论计算结果和实验结果基本吻合16。 1991）采用数值方法计算了圆钢管混凝土柱，钢管核心为素混凝土和配筋混凝土，理论计算结果和实验结果基本吻合17。 1994）报道了两个在核心混凝土中配置钢筋的圆钢管混凝土柱耐火极限的实验结果。研究结果表明，通过在核心混凝土中配置钢筋，可大大提高钢管混凝土柱的耐火极限。该文采用有限差分法计 算了钢管混凝土柱横截面的温度场，并利用纤维模型法计算了钢管混凝土柱的耐火极限，理论计算结果与实验结果基本吻合18。 1997， 1999， 2000）采用数值方法计算了钢管混凝土柱的耐火极限，并提出了一种计算圆钢管混凝土柱耐火极限的简化方法1921。 2000）研究了核心混凝土强度达到 95钢管高强混凝土柱耐火极限，考察了核心混凝土强度对钢管混凝土柱耐火极限的影响。研究结果表明，随着混凝土强度的提高，钢管混凝土柱的耐火极限有提高的趋势22。 1988） 、 1990,1992）先后报道了 38 个圆形和 6个方形截面钢管混凝土柱耐火极限的实验结果。圆形构件截面外直径为 104406方形构件截面外边长为 152 305构件计算长度为 2000 4000凝土圆柱体强度为 20 40材屈服极限为 300 350验时作用在构件上的荷载比大致在 钙质混凝土和硅质混凝土两种情况进行了实验研究。 通过实验结果的分析发现， 混凝土骨料类型对耐火极限有一定的影响，即钙质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性小， 而硅质混凝土构件耐火极限的硕士学位论文 第一章 绪论 8 实测结果离散性相对较大。 1994）基于上述实验结果，提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝 土柱耐火极限的简化计算公式。 利用有限差分法求解钢管混凝土截面温度场分布， 然后利用数值分析方法计算钢管混凝土轴压构件的耐火极限， 计算时， 不考虑钢管和核心混凝土之间的相互作用，即钢管和核心混凝土按单向受力考虑。 计算获得的耐火极限与试验值相比偏于保守，且有较大差别2325。 1999）提出了一种可以计算圆钢管混 凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化公式。 该公式中考虑了火灾作用在构件上荷载的大小、 混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响，简化计算公式得到实验结果验证26。 （ 1999）对内填圆柱体强度达 86 117圆钢管混凝土和方钢管混凝土压弯构件的耐火极限进行了实验研究。实验时，构件沿长度约有一半的截面直接承受按 834 升温的火灾作用。实验时作用在构件上的轴力较小27。 （ 2000）报道了 8 个圆钢管混凝土和方钢管混凝土轴心受压柱的在准火灾作用下耐火极限的实验结果，并提出 了一种计算耐火极限的数值方法28。 国外学者主要研究的是钢管配筋混凝土的耐火极限且柱子不采取防火保护措施的情况。研究结果表明，在火灾情况下，在裸钢管中灌入素混凝土的构件承载力损失较大，构件往往不能满足所要求的耐火极限，于是转而研究在裸钢管的核心混凝土中配置一定数量钢筋而形成的钢管配筋混凝土构件的耐火极限。 在进行理论分析时，一般都忽略了钢管及其内部核心混凝土之间的相互作用，钢材和混凝土按单向受力状态考虑。 在英国，研究者们进行了大批方形和长方形式钢管混凝土构件的耐火试验，并基于试验结果提出了构件耐火极限的确定方法， 然后推广到圆形截面形式钢管混凝土构件耐火极限的计算。在确定耐火极限时，分为有保护层和无保护层两种情况。 并提出如何在钢管混凝土构件的核心混凝土中配置适量的钢筋或填加适量的钢纤维，且适当降低构件承载力设计值，构件可以不采取任何保护措施即可满足所需的耐火极限的要求。 国内的研究状况 由于钢管混凝土结构在我国是一种新型结构，在已经建成的结构中，有的按照钢筋混凝土结构的要求外包混