装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系火灾全过程工作机理与失效控制

There are essential differences on damage area, eccentric compressive effect, connection properties and failure modes between the precast composite structural system with concrete-filled steel tubular special-shaped columns and the structure with traditional concrete-filled steel tubular structure. Therefore, it is necessary to study the overall fire behavior of the precast composite structural system. An analysis method considering the overall fire stages is proposed and the patent is granted. Considering the difference on mechanical properties of materials at different stages, a multi-scale finite element model based on the overall fire stages will be established, and the structural design theory and method of optimal failure mode control will be provided in the application project. Therefore, the key problems on damage mechanism of steel and concrete at overall fire stages, failure evolution mechanism and failure mode, damage model of precast composite structural system with concrete-filled steel tubular special-shaped columns at overall fire stages should be solved to resist the failure of the structure. The material properties, bond-slip models, creep models at cooling stage, multi-scale analysis model considering overall fire, section damage area, eccentric compressive effect mechanism, connection abilities, structural failure modes, evaluation indexes and design methods will be studied systematically and profoundly. The calculation method of damage evolution of precast composite structure with concrete-filled steel tubular special-shaped columns at overall fire stages will be provided. The failure mechanism of the structure considering overall fire stages will be investigated. The fire resistance and evaluation methods after fire will be developed. The research achievements of this project will provide effective method and theoretical supports for the design and control of the structure at overall fire stages.

装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系和传统钢管混凝土结构在损伤面积、偏压作用、连接属性和失效模式上存在本质差别，因此有必要研究该装配式结构体系火灾全过程的工作机理和失效控制。本项目提出火灾全过程分析方法并获发明专利授权，考虑不同阶段材料性能差异，建立基于火灾全过程的多尺度有限元模型，提出最优失效模式控制的设计理论和方法。为此，明确火灾全过程钢材与混凝土的损伤机理、装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系的失效演化机理与失效模式、极限状态和影响因素，是进行该类结构火灾全过程抗失效设计的关键和亟需解决的问题。拟针对降温段材料性能指标、粘结滑移、蠕变模型、火灾全过程多尺度模型、截面损伤面积、偏压作用机理、连接能力、失效模式、评估指标及设计方法等展开系统深入的研究，提供火灾全过程损伤演化的计算方法，揭示失效机理，提出耐火极限和灾后性能评估方法等，为该结构体系的火灾全过程设计与控制提供有效方法和理论支撑。

装配式钢管混凝土异形柱组合结构可满足绿色建筑要求，具有广阔应用前景，但其火灾作用损伤面积、偏压作用机理、连接属性和失效模式与传统钢管混凝土柱组合结构体系有本质的差别，有关传统耐火性能研究设计理论不能直接应用于装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系。本项目对基于火灾全过程的装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系工作机理与失效控制进行了深入系统的研究。.提出了结构火灾全过程分析方法，建立了火灾升降温装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系温度场分析的有限元模型，考虑了升温段水蒸气的影响，编制了后处理二次开发程序，提取了历史最高温度。合理确定了材料升降温损伤模型，编制了UMAT材料子程序，建立了考虑火灾全过程作用装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系受力分析的多尺度有限元模型，通过编制子程序考虑了钢材高温蠕变并实现了场变量变换，有限元计算结果得到火灾全过程等试验结果的验证。.基于多尺度有限元模型，揭示了装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系火灾全过程工作机理，研究了不同阶段结构体系温度场、截面损伤面积、偏压作用机理、相邻构件约束作用、梁柱变形、节点连接机制、应力状态和发展、火灾后荷载-位移关系、破坏模态等特性。对考虑火灾全过程作用多层多跨装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系的力学性能进行了参数分析，研究了不同火灾工况、梁类型、梁火灾荷载比、柱火灾荷载比等参数对柱轴向变形、梁挠度-时间关系及火灾后水平荷载-位移关系的影响规律。确定了装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系在不同受火阶段的极限状态，提出了组合结构体系火灾全过程设计方法和失效控制方法。本项目还考虑了双向荷载作用，对钢管混凝土异形柱的静力、滞回性能等关键问题进行研究，并提出了设计方法。.本项目为抗火研究提供了新方法，为装配式钢管混凝土异形柱组合结构体系的抗火设计提供依据，为火灾作用后结构性能评估和修复加固提供技术支撑，为新型装配式结构的应用提供参考。