考虑钢管初应力影响的钢管混凝土柱抗火性能研究

随着结构全寿命周期设计的发展需要，考虑施工及服役过程影响的结构设计成为发展趋势。钢管混凝土结构因其特殊的施工模式以及管内混凝土的收缩徐变，使得实际结构中钢管和混凝土的应力状态和常规成型后再受力的情况存在显著差异。本项目采用试验、数值和理论相结合的方法，对连续性施工模式下的早龄期钢管混凝土的多级加载性能进行研究，揭示钢管初应力产生的机制及规律，并提出钢管等效初应力的计算方法。在此基础上对具有等效初应力的钢管混凝土柱的抗火性能进行系统研究，建立考虑钢管初应力影响的钢管混凝土耐火承载力计算方法。重要研究结果包括：1）设计了一种自平衡加载装置，并对早龄期钢管混凝土进行了多级加载变形及其对承载力影响的试验研究，在此基础上编制了考虑早龄期徐变影响的钢管混凝土徐变变形计算程序，并提出了等效初应力的计算方法；2）首次完成了具有钢管初应力的钢管混凝土耐火试验，得到了不同荷载比下钢管初应力对钢管混凝土的温度场、破坏模式和耐火极限等第一手试验数据。在此基础上，采用“冗余单元”的方法建立了可模拟具有初应力的钢管混凝土耐火计算有限元模型，并进行了试验验证和参数研究，揭示了钢管初应力对钢管混凝土长短柱耐火性能的影响机理和规律；3）提出了基于温度均匀化理论的钢管混凝土压弯受力下的常高温统一承载力计算公式，并结合上述有初应力的钢管混凝土耐火试验和数值结果，最终给出了考虑钢管初应力影响的钢管混凝土耐火承载力计算方法。通过本项目的研究解决现有钢管混凝土防火设计方法尚未考虑而又亟待解决的施工初应力问题，并实现了考虑施工影响的钢管混凝土承载力的常高温统一计算，对钢管混凝土结构全寿命周期设计和安全使用具有重要理论和实际应用意义。 2100433B

由于钢管混凝土结构特殊的施工模式以及管内混凝土的收缩徐变，使得实际结构中钢管和混凝土的应力状态和常规成型后再受力的情况存在显著差异，这种差异在很大程度上可简化为钢管初应力问题。同时根据结构全寿命周期设计的发展要求，考虑施工过程和结构老化影响的抗火设计将很有必要。因此，本项目将采用试验研究、数值计算和理论分析相结合的方法对具有初应力的钢管混凝土柱抗火性能展开系统地研究，研究内容包括：1）进行具有初应力的钢管混凝土柱耐火极限试验研究；2）建立可考虑初应力的钢管混凝土抗火分析的数值模型，研究初应力对构件抗火性能的影响机理和规律；3）建立具有初应力的钢管混凝土抗火计算简化理论模型，并基于试验和数值结果，最终给出考虑初应力的抗火承载力工程计算方法。通过本项目的研究将解决现有防火设计方法尚未考虑而又亟待解决的初应力问题，对钢管混凝土结构全寿命周期设计和安全使用具有重要意义。

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。