型钢混凝土框架结构耐火性能及抗火设计方法研究

Steel reinforced concrete column-reinforced concrete beam frame structures (SRC frame structures) are a mixed structure made up of steel reinforced concrete and reinforced concrete structures. The research on the fire performance and design method against fire is necessary for the safety of SRC frame structures in fire. This research is carried out based on the natural fire model. First, an experimental research on SRC frame structures in fire is carried out on the condition that the coupling between fire and loads on the structures is considered, and the temperature distribution, deformation and collapse principle are studied based on the experimental results. Then, a fine finite element model for the fire resistance of the SRC frame structures, in which continuum elements are mainly used and the slip between concrete and steel is considered, is proposed based on the test results, and the working principle of the SRC frame structures is studied detailed by using the fine model. At the same time, on the bases of the fine mechanical model, a high effective finite element model, in which beam elements are mainly used, is proposed in order to study the fire performance of global SRC frame structures. The working principle and collapse of the global SRC frame structures in fire is studied by using the high effective model. In the end, a practical design method for the SRC frame structures is put forward based on the plenty of calculation and analysis.

型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架结构是一种混合结构，对其耐火性能和抗火设计方法的研究是保证结构火灾安全的必要手段。本项目立足于建筑实际火灾，首先进行火灾及荷载耦合作用下型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架结构耐火性能的试验研究，研究其温度场分布及火灾下的变形规律和破坏规律。然后，在试验研究的基础上建立以实体单元为主、考虑型钢与混凝土粘结滑移的型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架结构耐火性能分析的精细计算模型，详细分析火灾下框架结构的工作机理，为高效计算模型的建立提供基础。同时，为了进行框架的整体结构耐火性能分析，建立以梁单元为主的框架整体结构耐火性能分析的高效计算模型，对型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架整体结构耐火性能进行分析，分析其破坏形态、工作机理等特征。最后，在大量分析的基础上提出基于整体结构的型钢混凝土框架实用抗火设计方法。

型钢混凝土框架结构在高层建筑结构中应用广泛，项目针对型钢混凝土框架结构的耐火性能开展研究。通过试验研究和理论分析，建立了型钢混凝土框架结构耐火性能分析的高效计算模型，揭示了高温下型钢及钢筋混凝土框架结构的工作机理，提出了型钢混凝土框架结构的抗火设计方法及火灾后力学性能评估方法。主要完成了如下几方面的工作。（1）进行了型钢混凝土框架结构的耐火性能试验，试验表明，火灾高温下框架结构出现了整体破坏和局部破坏两种典型的破坏形态；整体破坏条件下，柱荷载比越大，框架的耐火极限越小。（2）建立了型钢混凝土框架结构的耐火性能精细计算模型，对火灾下型钢混凝土框架结构的变形规律、承载机理、破坏形态以及耐火极限进行了分析。（3）针对框架结构中受约束的梁柱构件，建立了约束梁和约束柱的耐火性能计算模型，对火灾下约束梁和约束柱的内力发展、变形、破坏形态、应力分布和耐火极限进行了详细参数研究，提出了约束构件的抗火设计实用方法。（4）建立了型钢及钢筋混凝土框架结构耐火性能分析的高效计算模型，对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限等性能进行分析，揭示了火灾下框架结构的工作机理，建立了实用抗火设计方法。（5）进行了火灾后型钢混凝土框架结构力学性能试验，试验表明，当轴压比和受火时间均较大时，型钢混凝土框架结构可能在降温阶段发生破坏；考虑升温阶段、降温阶段以及火灾后三阶段材料本构关系及其转化以及型钢与混凝土之间、钢筋与混凝土之间界面的黏结滑移特性，建立了型钢混凝土框架结构火灾后抗震性能的有限元计算模型，计算结果与试验结果吻合较好。（6）对降温阶段型钢混凝土框架结构的力学性能进行了分析，分析表明，在火灾降温阶段，构件截面内部温度升高导致材料强度降低，截面外部处于降温区域的材料强度进一步降低，截面内外温差导致截面周围出现拉应力，上述因素的共同作用导致结构在火灾降温阶段发生破坏。