钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能及基于火灾全过程的灾后力学性能

Steel tube confined concrete columns have a promising future in the structural application for their high load-bearing capacity, satisfactory ductility and seismic performance. This innovative type of columns provide an effective structural substitution for traditional overloaded reinforced concrete columns with huge cross section, illogically low shear span ratio or poor ductility. The fire performance of steel tube confined concrete columns differ from that of reinforced concrete columns or concrete-filled steel tubular columns due to their special mechanical behaviour. Up to date, neither research report nor relative code on the fire performance of steel tube confined concrete columns is available, which restricts the application and promotion of this composite structure. The project will focus on the fire performance of circular steel tube confined concrete columns, including the temperature distribution, deflection and fire resistance. Post-fire behaviour will be also concentrated with the consideration of the entire stage of fire exposure (including heating and cooling) and the corresponding stress and strain histories. The research will be beneficial to reveal the scientific issues, stress mechanism and failure modes, among steel tube confined concrete columns in / after fire exposure; to provide a fire design method for various fire-protection ratings; to establish the technical assessment systems for the evaluation and repairment after fire exposure. The work is expected to contribute to the engineering application of steel tube confined concrete columns.

钢管约束钢筋混凝土柱承载力高、延性好、抗震性能优越，可有效解决传统钢筋混凝土重载构件截面大、剪跨比过小、延性差等突出问题，具有广阔的应用前景。因其自身受力特点，钢管约束钢筋混凝土柱的抗火性能不同于钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱。目前尚无该类新型构件抗火性能的研究报道，更无设计规范、规程可依，制约了该类新型组合结构的推广应用。为此，项目将针对圆钢管约束钢筋混凝土柱的抗火性能进行系统研究，分析火灾下构件的温度分布、变形发展与耐火极限；基于火灾全过程作用路径，引入构件在升、降温过程中的应力-应变历史，研究圆钢管约束钢筋混凝土的过火性能。上述研究将有利于揭示钢管约束钢筋混凝土在高温下与高温后的受力机理与破坏模式等科学问题，提供满足不同防火设计等级的抗火设计方法，建立火灾后该类结构评估与修复加固的技术体系，推进钢管约束钢筋混凝土结构的工程应用。

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载能力高、抗震性能好、与钢筋混凝土梁连接节点构造简单等优势，近年来在高层建筑与大跨结构中得到应用。但目前尚无关于火灾下或火灾后钢管约束钢筋混凝土柱力学性能的研究，也无相关的设计规范或规程可参考。为准确预测钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限，并合理评估火灾后钢管约束钢筋混凝土结构的损伤程度，项目开展了火灾下钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能以及火灾后钢管约束钢筋混凝土柱剩余力学性能研究，主要研究工作与成果包括：.（1）进行了4个标准火灾作用下钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验，以及1个钢管混凝土柱对比试验，考察了荷载比和构件模式对构件变形和耐火极限的影响。获得了构件截面关键测点温度、轴向变形-时间关系曲线、耐火极限以及破坏模式。试验结果表明，随荷载比增加，耐火极限显著降低；与钢管混凝土柱相比，钢管约束钢筋混凝土柱具有更好的抗火性能。.（2）建立了标准火灾作用下钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元模型；分析了升温时间、截面尺寸和含钢率对温度场的影响规律，以及荷载比、截面尺寸、长细比、材料强度、含钢率和配筋率等对耐火极限的影响规律。分析表明，钢管的温度主要取决于升温时间，而混凝土的温度则与升温时间和截面尺寸均相关，在此基础上，确定了钢管、钢筋以及混凝土温度的简化计算公式；在构件常温承载力计算公式的基础上，引入高温对材料力学性能的影响，提出了标准火灾作用下构件承载力的简化计算公式，可用于钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限的预测。.（3）进行了47个标准火灾作用后钢管约束钢筋混凝土柱剩余力学性能试验，考察了升温时间、长细比、偏心距、混凝土强度、截面尺寸等因素对火灾后钢管约束钢筋混凝土柱力学性能的影响规律。实测了ISO 834标准升、降温过程中构件截面关键测点温度、火灾后构件的荷载-位移关系曲线、荷载-钢管应变关系曲线以及剩余承载力，并获得了构件的破坏模式。试验结果表明，混凝土温度存在明显的滞后效应，构件的承载力随着截面尺寸与混凝土强度的增加逐渐增加，而随着受火时间、长细比和偏心距的增加不断降低。.（4）建立了标准火灾作用后钢管约束钢筋混凝土柱力学性能分析模型，并验证了模型的可靠性；分析了升温时间、截面尺寸、长细比、偏心率、材料强度等因素对剩余承载力与刚度的影响规律；提出了标准火灾作用后构件承载力以及刚度的简化计算公式。