考虑端部约束的方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能研究

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。 2100433B

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。

研究不同受火时间后约束钢筋混凝土梁、柱构件的抗剪性能，揭示受火时间、构件端部约束、荷载比等因素对全过程火灾作用后钢筋混凝土构件抗剪性能的影响特点。建立火灾后约束钢筋混凝土构件抗剪性能的数值分析模型,并开发相应的全过程分析程序。分析总结高温下相邻构件之间的相互作用对高温后钢筋混凝土构件抗剪性能的影响规律，建立火灾后约束钢筋混凝土梁、柱构件残余抗剪承载力的实用计算方法。在考虑高温下内力重分布过程对构件损伤作用的情况下，研究并提出火灾后钢筋混凝土结构内力(含轴力、弯矩和剪力)的简化计算方法。针对高温下结构中构件受到相邻构件的约束会影响其高温后力学性能的特点，本项目可以填补火灾后约束钢筋混凝土构件抗剪性能研究的空白，为火灾后钢筋混凝土结构损伤评定、抗剪加固奠定基础，为相关规范的编制提供科学依据，因而具有重要的理论意义和明确的应用前景。

火灾高温可使钢筋混凝土构件的抗剪性能降低、甚至出现剪切破坏。位于地震区的火灾后混凝土结构若未经加固处理就继续使用，可能埋下抗震防灾的巨大隐患。另外，结构中构件在火灾全过程中的相互约束也可能会对火灾后构件的抗剪性能产生一定的影响。然而，目前有关火灾后钢筋混凝土构件的抗剪性能及高温下构件端部约束对其影响方面的研究工作较少。为此，本项目从试验、理论分析、数值计算三方面对上述问题进行了较系统的研究，主要研究内容和结果：(1) 进行了火灾后钢筋混凝土短柱抗震性能的试验研究和数值计算，建议了四周受火后钢筋混凝土柱抗剪承载力的实用计算公式。研究表明，火灾后短柱的抗剪承载力先随轴压比的增大而增大，但当轴压比增大至界限轴压比后反将降低。火灾后的界限轴压比较未受火时有减小趋势。(2) 进行火灾后钢筋混凝土梁剩余承载性能的试验研究和数值计算，建议了三面受火后钢筋混凝土梁抗剪承载力的实用计算公式。研究表明，楼板翼缘对梁的抗弯承载力具有一定的提高作用，但对抗剪承载力影响不大。(3) 进行了火灾后混凝土短肢剪力墙抗震性能的试验研究和数值计算，建议了四周受火后混凝土短肢剪力墙抗剪承载力的计算公式。研究表明，暗柱和X形暗支撑可提高火灾后短肢剪力墙的刚度和耗能能力，受火前后短肢剪力墙的滞回规则明显不同。(4) 进行了高温下持荷、端部约束对火灾后短柱抗震性能影响的试验研究。结果表明，高温下持荷可使火灾后短柱的抗剪承载力较未持荷时升高0.5%~2.3%，高温下带轴向约束的混凝土短柱火灾后的抗剪承载力为对应的高温下无约束时的89.9%~100.4%。(5) 进行了外包碳纤维布加固火灾后混凝土短柱的抗震性能、混凝土梁的抗剪性能的试验研究。研究表明采用CFRP加固能将火灾后短柱、梁的抗剪承载力分别恢复至未受火试件的11.2%~17.1%、5.3%~34.3%，且考虑楼板翼缘的影响，采用“U形包裹 压条”方式加固混凝土梁可取得较好的加固效果。(6) 利用有限元方法分析了截面含钢率对温度场分布的影响规律，建立了火灾后钢筋混凝土柱剩余压弯承载力的数值分析方法和实用计算公式。基于Park损伤评价模型建议了一种能反映火灾高温对短柱、短肢剪力墙抗震性能损伤加大程度的评价指标。上述研究成果可为火灾后钢筋混凝土结构的损伤评定、抗剪加固奠定基础，为相关规范的编制提供科学依据，具有重要的理论意义和明确的应用前景。 2100433B

通过预设有裂缝的混凝土试件的明火试验及数值分析，揭示裂缝面及其邻近区域的温度分布特征，解释该特征的形成机理，力求从温度场角度初步回答裂缝是否会对构件耐火性能产生较明显影响。通过具有不同程度梁端约束和板边约束的混凝土梁-板组合体的明火试验及系统参数分析，发现相邻楼板及其边界约束对端部约束梁火灾行为的定量影响规律，建立考虑相邻楼板时端部约束梁的耐火极限修正系数实用估算方法。通过不同火场情景和不同构件参数情况下混凝土框架结构的大量火灾响应分析，揭示梁受热膨胀引发的柱端侧移的变化规律，提出具有一定普适性的柱端侧移的定量预测公式，进而开展具有柱端相对偏移的端部约束混凝土柱的明火试验及耐火性能分析，基于研究数据构建考虑柱端相对偏移时端部约束柱的耐火极限实用确定方法。预期成果将有助于突破国内外现行耐火设计标准仅停留于独立梁和独立柱的局限，进而为提升混凝土结构耐火设计的科学性做出贡献。