配筋ECC-钢管混凝土组合柱的抗火性能研究

ECC-encased CFST column is a kind of novel composite column which has higher ductility and durability behaviors compared with normal concrete encased CFST columns. Based on the previous researches on the basic mechanical properties of ECC-encased CFST columns, this research will investigate the fire resistance of ECC-encased CFST column with both experimental and analytical methods. The fire endurance of ECC materials and ECC-encased CFST columns as well as the uniaxial and eccentric compressive behaviors of ECC-encased CFST columns after fire will be experimentally investigated. Based on the finite element analysis model, the thermal analysis model of ECC-encased CFST column during the heating and cooling stage will be established. After that, an user-defined finite model for ECC-encased CFST column will be proposed, the thermal creep strain and instantaneous thermal strain of cementitious materials as well as temperature creep behavior of steel will be considered in the proposed model. Based on the proposed finite element model, the failure mechanism of ECC-encased CFST columns under uniaxial and eccentric compressive loading after fire will be investigated and the parameter analysis will be conducted. On the basis of parameter analysis, the practical caution methods for the fire duration of ECC-encased CFST columns and anti-fire design recommendations will also be proposed.

配筋ECC-钢管混凝土组合柱是一种新型组合构件，相比钢管混凝土叠合柱具有更好的延性及耐久性。本课题在配筋ECC—钢管混凝土组合柱基本力学性能的研究基础上，通过试验及有限元的研究方法开展组合柱的耐火性能研究。其中试验部分包括ECC材料的耐火性能试验、配筋ECC—钢管混凝土组合柱的耐火极限试验研究、配筋ECC—钢管混凝土组合柱火灾后的轴压及偏压力学性能试验研究。在试验研究的基础上，基于有限元软件平台建立配筋ECC—钢管混凝土组合柱在升、降温火灾作用下的温度场分析模型，并建立考虑水泥基材料高温徐变和瞬态热应变及钢材高温蠕变影响的有限元二次开发模型，研究配筋ECC—钢管混凝土组合柱在火灾后的轴压及偏压力学性能及其破坏机理，并分析不同参数对组合柱抗火性能的影响，最终提出组合柱抗火极限的简化计算方法及抗火设计建议。

配筋ECC-钢管混凝土组合柱是一种新型组合构件，相比钢管混凝土叠合柱具有更好的延性及耐久性。本课题在配筋ECC—钢管混凝土组合柱基本力学性能的研究基础上，通过试验及有限元的研究方法开展了组合柱的耐火性能研究。其中试验部分包括ECC材料的温场—力学测试实验、配筋ECC—钢管混凝土组合柱的耐火极限试验研究、配筋ECC—钢管混凝土组合柱火灾后的轴压及偏压力学性能试验研究。在试验研究的基础上，基于有限元软件平台建立了配筋ECC—钢管混凝土组合柱在升、降温火灾作用下的温度场分析模型，研究了配筋ECC—钢管混凝土组合柱在火灾后的轴压及偏压力学性能及其破坏机理。研究结果表明，ECC材料在高温下仍具有较高的力学性能及抗冲击性能。由于ECC的“主动抗火”模式和较高的剩余强度，配筋ECC-钢管混凝土组合柱在标准火灾作用后整体保持完整，相同受火条件下配筋ECC-钢管混凝土组合柱轴压承载力比钢管混凝土叠合柱提升了32%，延性和耗能系数分别提升了10.4%和56.3%，组合柱内部钢管混凝土的历史最高温度仅为叠合柱内钢管混凝土的62.7%。此外，组合柱在火灾作用后仍然可以保持整体完整和较高的偏心受压剩余承载力，相同受火条件和偏心距下组合柱的峰值荷载和抗弯刚度分别为钢管混凝土叠合柱的1.58倍和2.70倍，而组合柱的侧向最大挠度仅为钢管混凝土叠合柱的59.2%。在本项目的资助下，共发表SCI论文14篇，本项目的科学意义在于厘清了ECC材料及其组合构件的抗火性能，提出了ECC组合柱抗火极限的简化计算方法及抗火设计建议，为ECC材料的功能化应用提供了参考和依据。