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目前钢管混凝土结构已经在工程中得到了广泛的应用。针对钢管混凝土柱的研究分为常温受力性能和高温抗火性能的研究,但是当前针对钢管混凝土柱抗火性能的研究比较匮乏,所以加强这方面的研究对于促进钢管混凝土结构的应用及我国防灾减灾事业的发展具有十分重要的意义。本文主要研究在钢管混凝土柱内部加配受力钢筋构成的配筋钢管混凝土柱的抗火性能,对配筋钢管混凝土柱常温下的受力性能和高温下的抗火性能进行了理论分析和试验研究。主要研究内容如下:
1.对3个配筋钢管混凝土短柱和1个钢管素混凝土短柱进行了常温下的轴心受压试验研究,分析了配筋钢管混凝土短柱的受力机理、变形能力和破坏形态,提出了配筋钢管混凝土短柱轴心受压承载力的计算公式。公式的计算结果与试验结果符合得较好。
2.基于上述试验结果对配筋钢管混凝土短柱中钢管的变形过程进行了分析,提出了钢管横向变形的近似计算方法,同时基于约束混凝土的应力-应变关系,编制了数值计算程序对配筋钢管混凝土轴压短柱常温下的受力全过程进行了数值模拟,与试验结果的对比表明程序对配筋钢管混凝土轴心受压短柱承载力和变形的模拟结果均较为理想。
3.对3个配筋钢管混凝土柱和1个钢管素混凝土柱在恒定轴压荷载、两端简支条件下进行了火灾行为的试验研究,研究了配筋钢管混凝土柱的火灾反应、变形和破坏过程,测量了钢管混凝土柱的截面温度场,并分析了钢管和配筋对钢管混凝土柱抗火性能的影响。
4.分析了水分和接触热阻对钢管混凝土柱截面温度场的影响,然后基于能量守恒原理和热力学理论推导了有限差分形式的截面温度场计算的基本方程,并编写了数值计算程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场。
5.分析了影响钢管混凝土柱截面温度场的主要因素,并在数值计算结果的基础上给出了钢管混凝土柱截面温度场的简化计算方法,与数值计算结果和部分试验结果的对比表明简化计算方法具有良好的精度。
6.在掌握了混凝土和结构钢的高温力学性能以及混凝土的瞬态热应变对变形影响的基础上,编制了计算配筋钢管混凝土柱耐火极限和受力变形过程的可视化程序,可以计算各种混凝土类型和荷载工况下钢管混凝土柱的耐火极限和变形过程,通过与部分轴向变形试验结果和大量耐火极限试验结果的对比,表明所编制的程序能够较好地模拟配筋钢管混凝土柱的耐火极限和变形过程。
7.分析了影响钢管混凝土柱抗火性能的主要影响因素,并在大量数值计算结果的基础上给出了配筋钢管混凝土柱高温承载力的简化计算方法,可以用于钢管混凝土柱抗火设计中耐火极限的计算,可作为工程设计的参考依据。
8.在配筋钢管混凝土柱抗火性能分析及高温承载能力简化计算的基础上给出了配筋钢管混凝土柱常温设计和高温抗火验算相结合的设计方法,并给出了部分设计建议。
本文的主要创新点如下:
1.基于试验结果,给出了配筋钢管混凝土轴心受压短柱的钢管与核心混凝土相互作用和共同工作的分析模型,并编制了计算程序来模拟配筋钢管混凝土轴心受压短柱的受力变形全过程。
2.给出了水分和接触热阻对钢管混凝土柱截面温度场影响的分析方法,编制了精度良好的钢管混凝土柱截面温度场的数值计算程序。
3.给出了高温下混凝土瞬态热应变的简化计算方法,并据此编制了通用性良好的可视化程序来计算火灾下配筋钢管混凝土柱的耐火极限和变形过程。4.提出了配筋钢管混凝土柱常温设计和高温抗火验算相结合的设计思想,并给出了相应的统一设计方法。