火灾下钢管混凝土叠合柱框架结构的工作机理与抗火设计方法研究

Concrete-filled steel tube reinforced concrete structures, provided with high strength, good ductility, better fire resistance and corrosion resistance, convenient construction, and so on, have been promoted to apply in our country. But currently, research on the mechanical properties under (or after) a fire of the structures is still in starting phase, and lack of a complete calculation theory and design method in our country. This has restricted the development of the structures. So, on the basis of the previous studies on fire resistance of concrete-filled steel tube reinforced concrete columns, the systematic research on the fire performance of concrete-filled steel tube reinforced concrete frames are going to be carried out in the project. At first, with considering the interaction principle and bond mechanism between steel and concrete, the models to simulated the temperature distribution and to analyze the mechanical performance of concrete-filled steel tube reinforced concrete frames subjected to a fire will be established by using finite element analysis platform. Afterward, experimental studies on fire resistance of concrete-filled steel tube reinforced concrete frame structures exposed to fire will be carried out. Based on the theoretical analysis and experimental study, the temperature distribution, the development rules of deformation and internal force, the work mechanism and destruction mode, the redistribution laws in the process of heating of concrete-filled steel tube reinforced concrete frames will be studied, and the fire resistance of the frames will be obtained. At last, based on the amounts of parameter analysis, a practical fire resistance formula of concrete-filled steel tube reinforced concrete frame structures will be advanced, and reasonable propose on fire design of the structures will be provided. The achievements in the project can be referred for the fire design codes making and the fire design of practical engineering.

钢管混凝土叠合结构因其具有强度高、延性好、耐火和耐腐蚀性好、施工方便等优点，已在我国各地推广使用，但国内外对其火灾下力学性能的研究还处于初步阶段，尚未建立完整的计算理论与设计方法，制约了该类结构的发展。因此，本项目在前期对钢管混凝土叠合柱耐火性能研究的基础上，拟针对钢管混凝土叠合框架结构的耐火性能展开研究：首先在合理考虑钢与混凝土之间的相互作用和粘结滑移效应基础上，建立钢管混凝土叠合柱框架温度场和力学分析的有限元模型；之后，进行框架耐火性能试验；通过试验研究和理论分析，掌握火灾下结构的温度场分布，各构件的变形和受力特征，框架火灾下的工作机理和破坏模态，火灾发展过程中内力的重分布，得出基于框架极限承载力的整体耐火极限；最终，在大量参数分析的基础上，期望得到钢管混凝土叠合柱框架耐火极限的简化计算公式，并对实际工程中该类结构的抗火设计提出合理的建议，为相关工程实践和制定防火规程提供参考。

本项目针对钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁（型钢混凝土梁）框架进行了如下研究：（1）利用ABAQUS有限元平台建立了火灾下钢管混凝土叠合柱框架温度场和力学性能分析模型，并利用国内外相关试验和本项目试验数据进行了验证，结果表明，模型能较好的模拟柱构件和框架结构的耐火性能，满足本项目研究的精度要求。（2）模拟分析了火灾下钢管混凝土叠合柱框架的温度场分布情况，并对影响温度场的主要因素进行了分析。（3）模拟分析了钢管混凝土叠合柱框架在火灾下的破坏模态、梁柱变形、节点的相对转角、内力的分布、应力和应变变化，全面认识了该类结构火灾下的力学特性，并将框架整体耐火极限和单独构件耐火极限进行了对比。（4）以柱火灾荷载比、梁火灾荷载比、梁柱线刚度比、柱截面特性为主要参数，进行了钢管混凝土叠合柱框架耐火性能试验，考察火灾下框架各部位的温度分布、变形和裂缝发展、破坏模态和耐火极限等。（5）对影响钢管混凝土叠合柱框架耐火性能的因素进行分析，获得不同参数对框架结构的梁柱变形、梁端与跨中弯矩、整体耐火极限等指标的影响，在此基础上，回归了框架耐火极限的简化计算公式。上述研究获得如下研究结果：（1）首次进行钢管混凝土叠合柱框架的耐火性能试验，为本项目及相关研究提供数据支持。（2）钢管混凝土叠合柱框架的破坏模式为梁破坏或梁柱同时破坏，研究给出了发生梁破坏模式的参数范围。（3）除梁火灾荷载比m≤0.4的情况，框架整体的耐火极限要高于单独梁构件的耐火极限，低于单独柱构件的耐火极限。（4）柱火灾荷载比、梁火灾荷载比、梁柱线刚度比、柱长细比、柱截面尺寸、柱截面核心面积比和柱外围混凝土强度对钢管混凝土叠合柱框架耐火极限影响显著。（5）得出了钢管混凝土叠合柱框架耐火极限的实用计算公式。本项目的研究对于合理的进行钢管混凝土叠合柱结构的抗火设计，确保火灾时人民生命财产的安全，促进该类结构的推广应用和我国现代化建筑水平的发展具有重要的科学意义。