鋼管混凝土抗火性能ppt

1、鋼管混凝土柱的抗火性能分析及防火措施12級 結(jié)構(gòu)工程沈會n鋼管混凝土柱抗火研究背景鋼管混凝土柱抗火研究背景n用用AbaqusAbaqus模擬分析鋼管混凝土柱抗火性能模擬分析鋼管混凝土柱抗火性能n鋼管混凝土柱機(jī)理分析及影響耐火極限的因素鋼管混凝土柱機(jī)理分析及影響耐火極限的因素n防火保護(hù)層厚度的計(jì)算防火保護(hù)層厚度的計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)抗火性能差鋼結(jié)構(gòu)抗火性能差隨著溫度升高，屈服強(qiáng)度下降，超過600600時(shí)，鋼材將會喪失絕大部分的強(qiáng)度和剛度。鋼管混凝土柱國外由于沒有合理的考慮鋼管對其核心混凝土的約束作用約束作用, 計(jì)算結(jié)果大都偏于保守且和試驗(yàn)結(jié)果差異較大，得到的計(jì)算結(jié)果也不夠準(zhǔn)確。它們一般提高鋼管混凝土柱本身

2、的抗火性能來提高耐火極限。國內(nèi)方面主要是韓林海做了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，指出了鋼管和混凝土之間的相互作用能提高提高抗火性能。國內(nèi)目前采取的防火措施一般用防火涂料，給出了一些保護(hù)層厚度計(jì)算公式。國內(nèi)外大量試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：n 火災(zāi)時(shí)，構(gòu)件變形穩(wěn)定變形穩(wěn)定, 達(dá)到耐火極限時(shí)仍保持較好整體性。較好整體性。n 火災(zāi)后，截面的力學(xué)性能力學(xué)性能比高溫下有所改善，結(jié)構(gòu)整體性結(jié)構(gòu)整體性比火災(zāi)中也有所提高。結(jié)論結(jié)論: :鋼管混凝土柱有著良好的抗火性能。鋼管混凝土柱有著良好的抗火性能。受火機(jī)理：溫度的提高,鋼失去承載力,鋼管壁仍“套箍套箍”混凝土。但混凝土的熱傳導(dǎo)率熱傳導(dǎo)率很低,其強(qiáng)度喪失的速度低于鋼管,構(gòu)件承受

3、的荷載逐漸轉(zhuǎn)移到混凝土。最終在鋼管失去強(qiáng)度后,核心混凝土將承擔(dān)全部荷載。有限元Abaqus分析鋼管混凝土柱抗火n 鋼材采用ABAQUS 軟件中提供的等向彈塑性模型，混凝土采用ABAQUS軟件中提供的塑性損傷模型。n 截面尺寸Bts=273.15.56mm，鋼材屈服強(qiáng)度350MPa，混凝土圓柱體強(qiáng)度29MPa，構(gòu)件兩端固結(jié)，初始彎曲取1/1000 桿長，作用在構(gòu)件上荷載525kN。有限元Abaqus分析鋼管混凝土柱抗火n 在構(gòu)件加載位置施加荷載N，保持外荷載，調(diào)用溫度場分析結(jié)果計(jì)算。可以得到該鋼管混凝土柱的計(jì)算軸線變形()-受火時(shí)間(t)關(guān)系曲線。破壞形態(tài)鋼管mises應(yīng)力混凝土縱向應(yīng)力(a)

4、A 點(diǎn)(0min)(b) B 點(diǎn)(23min)混凝土全截面受壓，呈帶狀分布，由于初始彎曲初始彎曲，在外荷載作用下一側(cè)壓應(yīng)力較高。荷載主要由鋼管承擔(dān)，截面混凝土溫度外高內(nèi)低，高溫區(qū)熱膨脹變形受到低溫區(qū)的約束，因此高溫區(qū)混凝土為壓應(yīng)力壓應(yīng)力，內(nèi)部低溫區(qū)混凝土為拉應(yīng)力拉應(yīng)力。(c) C 點(diǎn)(33min)(d) D 點(diǎn)(68min)隨著截面內(nèi)外溫差的減小，外圍混凝土壓應(yīng)力和內(nèi)部拉應(yīng)力有所減小。核心混凝土開始承受外荷載。混凝土在溫度和外荷載作用下，壓應(yīng)力進(jìn)一步增加。(e) E 點(diǎn)(100min)隨著混凝土溫度的進(jìn)一步升高，材料屬性惡化較為嚴(yán)重，破壞時(shí)壓應(yīng)力最大區(qū)域在截面中心偏下，即偏向構(gòu)件彎曲內(nèi)側(cè)，此時(shí)

5、整個(gè)截面混凝土為受壓狀態(tài)。單個(gè)鋼管混凝土柱構(gòu)件抗火機(jī)理分析材料物理性質(zhì)： n 混凝土的熱容熱容比鋼材大得多,導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)卻比鋼材小得多。n 鋼材的密度密度是混凝土的三倍,但含鋼率在10%左右,混凝土的體積將是鋼管的10倍以上。外部鋼管雖然升溫較快, 但內(nèi)部混凝土升溫滯后, 且溫度沿截面分布很不均勻不均勻。 對外部鋼管而言, 由于其熱量充分被核心混凝土吸收, 也使外部鋼管溫度升高的幅度低于純鋼結(jié)構(gòu)。 單個(gè)鋼管混凝土柱構(gòu)件抗火機(jī)理分析 由于鋼管和核心混凝土之間變形不一致, 存在相互作用相互作用問題,使它們處于復(fù)雜應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí),由于鋼管保護(hù)作用,核心混凝土在高溫下不會發(fā)生剝落和崩裂;而

6、鋼管雖然在高溫下己軟化,喪失強(qiáng)度而失去承載能力，但是內(nèi)部混凝土的存在,保證鋼管不發(fā)生失穩(wěn)和局部屈曲。結(jié)論：二者能夠相互作用,協(xié)同互補(bǔ),共同工作,提高了鋼管棍凝土構(gòu)件的整體性整體性,使這種結(jié)構(gòu)具有很好的耐火性能。整體框架下的鋼管混凝土柱抗火機(jī)理分析n 實(shí)驗(yàn)表明：鋼管混凝土框架底層邊柱在框架結(jié)構(gòu)中的耐火極限承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)構(gòu)件的耐火極限承載力。這一結(jié)論說明這一結(jié)論說明： 現(xiàn)行鋼管混凝土防火設(shè)計(jì)規(guī)范采用單個(gè)鋼現(xiàn)行鋼管混凝土防火設(shè)計(jì)規(guī)范采用單個(gè)鋼管混凝土柱的耐火承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏于保守的。管混凝土柱的耐火承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏于保守的。熱量逐漸傳入鋼管混凝土柱構(gòu)件內(nèi)部熱量逐漸傳入鋼管混凝土柱構(gòu)件

7、內(nèi)部, , 鋼管混凝土柱的剛度鋼管混凝土柱的剛度逐漸下降逐漸下降, , 框架中各個(gè)構(gòu)件之間的彎矩分配比例發(fā)生改變框架中各個(gè)構(gòu)件之間的彎矩分配比例發(fā)生改變, , 導(dǎo)致彎矩重分布導(dǎo)致彎矩重分布, , 到破壞前彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常溫時(shí)的設(shè)計(jì)彎矩到破壞前彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常溫時(shí)的設(shè)計(jì)彎矩, , 邊柱柱頭實(shí)際作用的彎矩下降導(dǎo)致其耐火邊柱柱頭實(shí)際作用的彎矩下降導(dǎo)致其耐火極限極限的延長。的延長。影響鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限的因素截面尺寸截面尺寸、含鋼率、荷載偏心率、長細(xì)比、保護(hù)層含鋼率、荷載偏心率、長細(xì)比、保護(hù)層、邊界約束邊界約束。(1)截面尺寸 鋼管混凝土截面尺寸越大越大,構(gòu)件的承載力降低越少，耐火極限得到提高提高。(

8、2)含鋼率 含鋼率對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)耐火極限的影響較小較小。(3)荷載偏心率 隨著荷載偏心率對鋼管混凝土耐火極限總體影響較小較小。（4）長細(xì)比(入)n 對于圓鋼管混凝土柱, 當(dāng)人90 時(shí),長細(xì)比越大,耐火極限越低; 當(dāng)人90時(shí),長細(xì)比對耐火極限的影響明顯減弱。n 對于方鋼管混凝土柱,當(dāng)長細(xì)比入40 時(shí), 長細(xì)比越大, 耐火極限有增加的趨勢, 但幅度不大; 當(dāng)長細(xì)比入 40 時(shí), 長細(xì)比越大, 耐火極限越低。( (5)保護(hù)層 目前一般采用防火涂料保護(hù)層。不同的保護(hù)層材料, 其效果不太一樣。對于相同的材料, 保護(hù)層厚度越大厚度越大, 則構(gòu)件的耐火極限越大耐火極限越大。(6)邊界約束條件與兩端鉸接和一

9、端鉸接一端固接的鋼管混凝土柱構(gòu)件相比, 框架中鋼管混凝土柱的抗火性能有很大的的提高。防火措施n 結(jié)構(gòu)本身抗火 國外考慮到勞動力昂貴 1.配置專門考慮防火防火的鋼筋型鋼或鋼纖維 2.通過降低柱子的軸壓比軸壓比n 防火涂料 國內(nèi)目前大多采用涂防火涂料 缺點(diǎn)：大都偏于保守而造成浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)性差且缺乏科學(xué)性防火保護(hù)層厚度的計(jì)算影響鋼管混凝土柱防火保護(hù)層厚度的主要參數(shù)包括: n 火災(zāi)荷載比( n) 火災(zāi)荷載比越大, 防火保護(hù)層厚度越大n 耐火極限( t ) 要求的耐火極限越大, 防火保護(hù)層厚度也越大n 截面尺寸( C ) 隨著構(gòu)件直徑（圓鋼管）或截面尺寸（方鋼管）越大，防火保護(hù)層厚度越小。n 長細(xì)比(人 ) 長細(xì)比的越小，防火保護(hù)層厚度也越小鋼管混凝土柱防火保護(hù)層厚度簡化計(jì)算方法n 對于圓鋼管混凝土柱： n 對于方鋼管混凝土柱： n 基本參數(shù)為：耐火極限t=1.03.0h；柱截面周長C，長細(xì)比=1080。該方法將火災(zāi)荷載比n假定為定值0.77，僅考慮了耐火極限（l）、截面尺寸（c）和長細(xì)比（人）三個(gè)因素。(0.28 0.0019 )9.6(19.2)RatC5 2(0.42 0.0017210)22(149.6)RatC 結(jié)語n