考虑端部约束的方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能研究

Steel tube confined reinforced concrete (STCRC) columns have been applied to high-rise buildings and large-span structures for their high load-bearing capacity, excellent seismic performance and ease in construction of the connection to beams. Up to date, no study has been reported on the fire behaviour of square STCRC columns. Owing to their inherent behaviour, STCRC columns cannot be designed following methods for reinforced concrete columns or concrete-filled steel tubular (CFST) columns. Hence, it is essential to carry out studies on the fire behaviour of square STCRC columns. Furthermore, the mechanical behaviour and fire resistance of columns in structures differ from those of simply supported columns, due to the restraint against expansion and contraction provided by adjacent members. It is more reasonable to take the end restraint into account for studies on columns subjected to fire. The project will focus on the fire performance of square STCRC columns. The thermal distribution, deformation and fire resistance of the unrestrained square STCRC column will be investigated experimentally and numerically. The design method for predicting fire resistance will be proposed. The end restraint will be induced and studied to identify its influence on the mechanical behaviour and fire resistance. Design recommendations, accounting for the effect of end restraint, will be detailed. The achievements of this project are expected to improve the fire safety design theory of STCRC columns and promote the development and application of this type of column.

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、节点构造简单等优点，在高层建筑与大跨空间结构中得到应用。目前国内外尚无关于方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究，更无设计规范或规程可供参考。因受力特点不同，方钢管约束钢筋混凝土柱不能套用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火研究成果。因此，应对其抗火性能展开研究。此外，相关研究表明，实际结构中受火柱受到相邻构件的约束，受力机理和抗火性能与单体构件显著不同，有必要考虑端部约束作用。为此，本项目将以方钢管约束钢筋混凝土柱为研究对象，采用试验研究与理论分析相结合的方式，重点研究火灾下无端部约束构件的温度、变形与耐火极限，并提出抗火设计方法；在此基础上，引入端部约束作用，分析其对火灾下方钢管约束钢筋混凝土柱受力机理与耐火极限的影响，提出可考虑端部约束作用的抗火设计建议。本项目的研究成果将进一步完善钢管约束钢筋混凝土柱的抗火设计理论，促进该类构件的应用与发展。

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、节点构造简单等优点，在高层建筑与大跨空间结构中得到了应用。目前国内外尚无关于方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究，更无设计规范或规程可供参考。因受力特点不同，方钢管约束钢筋混凝土柱不能套用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火研究成果。因此对方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能开展了试验研究与理论分析，并提出了相应的抗火设计方法。首先进行了方钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验，实测了标准火灾作用下构件截面关键测点温度、轴向变形、柱顶转角、侧向变形、耐火极限和破坏模式，获得了荷载比和偏心距对火灾下构件变形和耐火极限的影响规律。建立了方钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元分析模型，分析了荷载比、截面尺寸、偏心率等参数对温度场和耐火极限的影响规律，提出了标准火灾作用下钢管、钢筋与混凝土温度的计算方法与耐火极限的计算方法。实际结构中受火柱受到相邻构件的约束，受力机理和抗火性能与单体构件显著不同，因此分析了端部轴向约束与转动约束作用对构件抗火性能的影响。获得了轴向约束刚度比和转动约束刚度比对构件耐火极限的影响规律，提出了火灾下构件计算长度计算公式，以及考虑端部约束的方钢管约束钢筋混凝土柱抗火设计方法。本项目揭示了火灾下方钢管约束钢筋混凝土柱的工作机理，建立了方钢管约束钢筋混凝土柱的抗火设计方法，为该类构件的防火设计奠定了基础，进一步完善了钢管约束钢筋混凝土柱的设计理论。