新型方钢管混凝土组合柱耐火性能试验研究与数值分析

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1、新型方钢管混凝土组合柱耐火性能试验研究与数值分析ExperimentandNumericalAnalysisonFirePerformanceofSpecial-shapedColumnComposedofConcrete-filledSquareSteelTubes学科专业：建筑与土木工程研究生：闫明婷指导教师：于敬海研究员企业导师：郭红云正高级工程师天津大学建工学院二零一七年十二月摘要新型方钢管混凝土组合柱是由若干方钢管混凝土柱通过连接板和肋板连接而成L形、T形或十字形的组合柱，其在钢结构住宅结构体系中具有极大发展前景，但目前组合柱的耐火性能研究较少，对适用于住宅并满足装配化要求的防火材料

2、还未明确，成为钢结构住宅推广亟待解决的关键问题之一。本文针对组合柱的耐火性能进行了试验研究和数值分析，主要研究内容及得到的结论如下：（1）进行了3根足尺L形方钢管混凝土组合柱的耐火性能试验。通过防火材料选型分析，选择硅酸钙板和陶瓷纤维棉两种高性能的防火材料用作组合柱的外包保护，并设计了两种防火保护构造做法。试件受到火灾高温及轴心荷载的共同作用，并设置不同荷载比作为试验参数，得到试件破坏形态、截面测点温度-时间关系曲线、轴向变形-时间关系曲线及耐火极限等结果。试验结果表明，火灾荷载比是影响组合柱耐火极限的重要因素；相同荷载比下，防火板与防火棉复合做法的防火性能优于双层防火板。（2）利用ABAQU

3、S顺序热力耦合分析方法进行了普通钢管混凝土柱和L形方钢管混凝土组合柱的温度场及耐火性能有限元分析。根据传热理论，考虑钢材、混凝土和防火材料的热工性能进行温度场有限元分析，进而考虑钢材、混凝土的热力学性能、界面接触、边界条件等进行耐火性能有限元分析。采用相关文献试验结果和本文试验结果对有限元模型进行了对比分析，对比结果表明，数值分析方法能较好地模拟出无防火保护钢管混凝土柱的温度场及耐火极限，而对有防火保护的钢管混凝土柱及组合柱，温度场计算值比实际值偏小，耐火极限计算值比实际值偏大8.2%-13.5%，计算误差在工程应用的合理范围之内。（3）进行组合柱耐火性能的参数分析。为研究荷载比对组合柱耐火性

4、能的影响及不同截面钢管混凝土柱耐火性能的差异性，分别以荷载比和截面形式为参数，选择建立典型模型，分析各参数下算例的轴向和侧向变形、应力及应变的分布与发展。分析结果表明，火灾荷载比越大，耐火极限越小；组合柱较单肢柱，连接部分是防火薄弱环节，在一定防火措施下，组合柱的受力性能较好。关键词：新型方钢管混凝土组合柱，火灾试验，温度场，耐火极限，数值分析IABSTRACTSpecial-shaped column composed of concrete-filled square steel tubes (SCFST), such as L-shaped, T-shaped or Crisscross

5、-shaped, consist of a number of concrete-filled square steel tubes connected by connecting plate and ribbed slab, which havegooddevelopmentprospectin the steel residential building system. As the researchontheresistanceperformanceof compositecolumnisrare, theambiguityoffire-proofmaterialmeetingthe r

6、equestoftheassemblageresidentialbuildinghas beenthemosturgentproblemtobesolvedinthepopularizationofsteelresidentialbuilding. Based on the experimental research and numerical analysis for fire performance of SCFST column, the main contents of this paper are as follows:(1) Fire experiments were carrie

7、d out on three full scale L-shaped SCFST columns. Through the typeselectionoffire-proofmaterials,calcium silicate board and ceramic fibre felt are selected as the fire-proof materials for the cover of