鋼-混凝土組合柱抗火設(shè)計(jì)

鋼-混凝土組合柱

--抗火性能和設(shè)計(jì)方法導(dǎo)師：王文達(dá)教授學(xué)生：韓祎學(xué)號(hào)：1220814020251.型鋼混凝土柱

1.1設(shè)計(jì)原理1.2耐火極限實(shí)用設(shè)計(jì)方法

2.鋼管混凝土柱

2.1概述2.2設(shè)計(jì)原理2.3耐火極限實(shí)用計(jì)算方法2.4防火保護(hù)層厚度計(jì)算2.5火災(zāi)后剩余承載力計(jì)算2.6鋼管混凝土柱防火構(gòu)造措施2.7鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)的計(jì)算

3.中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能4.FRP約束鋼管混凝土柱的耐火性能

2023/10/27蘭州理工大學(xué)22023/10/27蘭州理工大學(xué)31.型鋼混凝土柱1.1設(shè)計(jì)原理1.1.1“火災(zāi)有效荷載”確定圖示為按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ISO-834規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫作用下型鋼混凝土軸心受壓構(gòu)件繞強(qiáng)軸彎曲時(shí)耐火極限隨荷載的變化規(guī)律。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50009-2019，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載效應(yīng)組合，并取各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)給定某一型鋼混凝土柱進(jìn)行耐火極限計(jì)算時(shí)，由于不知道其承受的永久荷載和可變荷載究竟有多大，所以無(wú)法直接計(jì)算出2023/10/27蘭州理工大學(xué)4

有效荷載但型鋼混凝土的抗力R是已知的，因此可以通過(guò)S=R近似確定。。若近似將可變荷載效應(yīng)控制的組合情況下的平均值為1.3，永久荷載效應(yīng)控制的均值為1.375，暫取小值1.3，則可近似導(dǎo)得型鋼混凝土柱的火災(zāi)有效荷載表達(dá)式：1.1.2重要影響參數(shù)在火災(zāi)有效荷載作用下，影響型鋼混凝土柱耐火極限的因素包括：截面周長(zhǎng)，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比，截面含鋼率，截面配筋率，荷載偏心率，鋼骨屈服強(qiáng)度，鋼筋屈服強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度和截面高寬比等。（1）截面周長(zhǎng)2023/10/27蘭州理工大學(xué)5

（2）構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比（1）截面周長(zhǎng)2023/10/27蘭州理工大學(xué)6（3）截面含鋼率

（4）截面配筋率2023/10/27蘭州理工大學(xué)7（5）荷載偏心率（6）鋼骨屈服強(qiáng)度2023/10/27蘭州理工大學(xué)8（7）鋼筋屈服強(qiáng)度

（8）混凝土強(qiáng)度2023/10/27蘭州理工大學(xué)9（9）截面高寬比計(jì)算獲得的型鋼混凝土軸心受壓柱按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫、在不同升溫時(shí)刻溫度場(chǎng)作用下的關(guān)系曲線和N-M關(guān)系曲線。算例條件：2023/10/27蘭州理工大學(xué)102023/10/27蘭州理工大學(xué)11為便于分析，定義火災(zāi)下型鋼混凝土柱承載力的影響系數(shù)Kt表達(dá)式如下：影響火災(zāi)下型鋼混凝土柱承載力的可能因素有：截面周長(zhǎng)，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比，受火時(shí)間，截面含鋼率，截面配筋率，荷載偏心率，鋼骨屈服強(qiáng)度，鋼筋屈服強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度和截面高寬比等。以算例：來(lái)分析各參數(shù)對(duì)火災(zāi)作用下型鋼混凝土壓彎構(gòu)件承載力影響系數(shù)Kt的影響規(guī)律。（截面形式為：）2023/10/27蘭州理工大學(xué)12（1）截面尺寸2023/10/27蘭州理工大學(xué)13（2）構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比2023/10/27蘭州理工大學(xué)14（3）截面含鋼率2023/10/27蘭州理工大學(xué)15（4）截面配筋率2023/10/27蘭州理工大學(xué)16（5）荷載偏心率2023/10/27蘭州理工大學(xué)17（6）鋼骨屈服強(qiáng)度2023/10/27蘭州理工大學(xué)18（7）鋼筋屈服強(qiáng)度2023/10/27蘭州理工大學(xué)19（8）混凝土強(qiáng)度2023/10/27蘭州理工大學(xué)20（9）截面高寬比2023/10/27蘭州理工大學(xué)21結(jié)論：火災(zāi)作用下鋼骨屈服強(qiáng)度、鋼筋屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、截面含鋼率、截面配筋率、荷載偏心率和截面高寬比等參數(shù)對(duì)型鋼混凝土壓彎構(gòu)件承載力影響系數(shù)的影響較??；而截面周長(zhǎng)、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和受火時(shí)間則是影響火災(zāi)下型鋼混凝土壓彎構(gòu)件承載力的主要因素。1.1.2耐火極限實(shí)用計(jì)算方法如前所述，火災(zāi)作用對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件的承載力有較大的影響。在對(duì)大量數(shù)值計(jì)算結(jié)果整理分析的基礎(chǔ)上，可回歸出C，λ和t為參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下型鋼混凝土柱承載力影響系數(shù)Kt的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

2023/10/27蘭州理工大學(xué)22型鋼混凝土柱承載力影響系數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較，參數(shù)：2023/10/27蘭州理工大學(xué)23根據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ138-2019或《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》YB9082-97計(jì)算出型鋼混凝土壓彎構(gòu)件的承載力后，將其乘以系數(shù)Kt值，即可獲得壓彎構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下的承載力：簡(jiǎn)化公式適用于不同受火時(shí)間作用下構(gòu)件承載力的計(jì)算。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)應(yīng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)荷載，利用簡(jiǎn)化公式，可以得出在某一特定時(shí)刻t，構(gòu)件火災(zāi)下的承載力與設(shè)計(jì)荷載相等時(shí)對(duì)應(yīng)的火災(zāi)作用下的耐火極限。為使型鋼混凝土柱滿足耐火極限要求，應(yīng)限制其火災(zāi)荷載比n（即火災(zāi)時(shí)作用在柱上的荷載與其常溫極限承載力的比值），且火災(zāi)荷載比限值不應(yīng)超過(guò)火災(zāi)下荷載影響系數(shù)Kt。由承載力2023/10/27蘭州理工大學(xué)24影響系數(shù)簡(jiǎn)化公式可得到對(duì)應(yīng)一定火災(zāi)荷載比下的耐火極限簡(jiǎn)化計(jì)算公式：2鋼管混凝土2.1概述目前工程中最常見(jiàn)的鋼管混凝土柱橫截面形式主要是圓形、方形和矩形。2023/10/27蘭州理工大學(xué)252.2設(shè)計(jì)原理2.2.1耐火極限和防火保護(hù)層在火災(zāi)有效荷載作用下，影響鋼管混凝土柱耐火極限的因素包括：截面周長(zhǎng)、長(zhǎng)細(xì)比、防火保護(hù)層厚度、截面含鋼率、荷載偏心率、鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等。（以矩形鋼管混凝土為例）（1）截面周長(zhǎng)（2）長(zhǎng)細(xì)比2023/10/27蘭州理工大學(xué)26（3）防火保護(hù)層厚度影響火災(zāi)下裸鋼管混凝土柱承載力的可能因素主要有：鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、含鋼率、構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、荷載偏心率和受火時(shí)間，對(duì)于矩形混凝土還有截面高寬比等。大規(guī)模參數(shù)分析的結(jié)果表明，上述各參數(shù)中，構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)2023/10/27蘭州理工大學(xué)27比和受火時(shí)間的影響最為顯著，而其他因素的影響不大。類似型鋼混凝土，定義火災(zāi)下鋼管混凝土柱承載力的影響系數(shù)Kt。下面以矩形鋼管混凝土為例，說(shuō)明影響Kt的因素。（1）截面周長(zhǎng)

算例條件：2023/10/27蘭州理工大學(xué)28(2)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比算例條件：2023/10/27蘭州理工大學(xué)29對(duì)于鋼管混凝土柱的防火保護(hù)，常采用現(xiàn)場(chǎng)施工防火保護(hù)層的方法，常用的防火保護(hù)材料有水泥砂漿和厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

影響鋼管混凝土柱防火保護(hù)層厚度的主要參數(shù)包括：火災(zāi)荷載比、耐火極限、截面尺寸和長(zhǎng)細(xì)比。

下面以矩形鋼管混凝土柱為例說(shuō)明各參數(shù)對(duì)其防火保護(hù)層厚度的影響規(guī)律。算例條件：2023/10/27蘭州理工大學(xué)30（1）水泥砂漿保護(hù)層2023/10/27蘭州理工大學(xué)31（2）厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)層2023/10/27蘭州理工大學(xué)322.2.2火災(zāi)后的剩余承載力考慮火災(zāi)作用（火災(zāi)曲線按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫ISO-834的有關(guān)規(guī)定確定）和不考慮火災(zāi)作用時(shí)鋼管混凝土壓彎構(gòu)件典型的

關(guān)系曲線：影響火災(zāi)后鋼管混凝土壓彎構(gòu)件剩余承載力的可能因素有：鋼材和混凝土的強(qiáng)度、構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、荷載偏心率、受2023/10/27蘭州理工大學(xué)33火時(shí)間和防火保護(hù)層厚度等，對(duì)于矩形鋼管混凝土，還有截面高寬比。為便于分析，定義火災(zāi)作用對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件承載力影響系數(shù)Kr：（1）構(gòu)件截面尺寸算例條件：2023/10/27蘭州理工大學(xué)34（2）長(zhǎng)細(xì)比（3）防火保護(hù)層厚度2023/10/27蘭州理工大學(xué)35火災(zāi)作用對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的剛度也有影響。為便于分析，定義火災(zāi)后鋼管混凝土抗彎剛度影響系數(shù)為KB：影響KB的主要因素是：火災(zāi)持續(xù)時(shí)間、鋼管混凝土構(gòu)件的截面尺寸和含鋼率。（1）截面尺寸算例條件：2023/10/27蘭州理工大學(xué)36（2）含鋼率2023/10/27蘭州理工大學(xué)372.3耐火極限實(shí)用計(jì)算方法如前所述，構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和受火時(shí)間是影響鋼管混凝土柱火災(zāi)下承載力影響系數(shù)Kt的最主要因素，因此，在大規(guī)模參數(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以這三個(gè)參數(shù)為基本量，通過(guò)回歸分析的方法可推導(dǎo)出Kt的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2.4防火保護(hù)層厚度計(jì)算鋼管混凝土柱防火應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)其鋼管采用噴涂防火涂料或其他有效外包覆防火措施，其耐火等級(jí)及耐火極限應(yīng)滿足國(guó)家有關(guān)規(guī)范的要求。當(dāng)保護(hù)層為厚防火涂料性能應(yīng)符合中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時(shí)，涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》CECS24：90和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》GB14907—2019的有關(guān)規(guī)定。2023/10/27蘭州理工大學(xué)38基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出按規(guī)范ISO-834或GB/T9978-2019規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫作用下鋼管混凝土柱防火保護(hù)層厚度的實(shí)用計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均基本吻合。2.5火災(zāi)后剩余承載力計(jì)算如前所述，影響火災(zāi)后裸鋼管混凝土柱承載力影響系數(shù)Kr的因素主要是：受火時(shí)間、截面尺寸（截面周長(zhǎng)、長(zhǎng)細(xì)比）。在大規(guī)模參數(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以這三個(gè)參數(shù)為基本變量，通過(guò)回歸分析的方法推導(dǎo)出Kr的表達(dá)式。2.6防火構(gòu)造措施根據(jù)抗火設(shè)計(jì)，當(dāng)鋼管混凝土柱需要防火保護(hù)時(shí)，可采用水泥砂漿、防火涂料、防火板、柔性氈等措施。下面例舉幾種鋼柱的防火保護(hù)構(gòu)造措。1.防火板保護(hù)（鋼柱用鋼龍骨固定的防火板構(gòu)造）2023/10/27蘭州理工大學(xué)392023/10/27蘭州理工大學(xué)402023/10/27蘭州理工大學(xué)412.復(fù)合防火保護(hù)2023/10/27蘭州理工大學(xué)422023/10/27蘭州理工大學(xué)432023/10/27蘭州理工大學(xué)443.柔性氈狀隔熱材料防火保護(hù)2023/10/27蘭州理工大學(xué)452.7鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)的計(jì)算由Lie(1994)、Lie和Chabot(1990)給出：1鋼材的熱膨脹系數(shù)2鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)3鋼材的比熱和容重一般取ρs=7850kg/2023/10/27蘭州理工大學(xué)464混凝土的熱膨脹系數(shù)（普通混凝土，鈣質(zhì)）5混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)（普通混凝土，鈣質(zhì)）6混凝土的比熱和容重（普通混凝土，鈣質(zhì)）2023/10/27蘭州理工大學(xué)473.中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能中空夾層鋼管混凝土較實(shí)心混凝土柱具有相對(duì)更好的耐火性能，這是由于內(nèi)鋼管受到混凝土的保護(hù)，可延緩其溫度上升，因而在受火過(guò)程中可承擔(dān)更大的重分布內(nèi)力。下圖為實(shí)驗(yàn)后圓形柱和方形柱的整體破壞形態(tài)以及內(nèi)部混凝土和內(nèi)鋼管的情況。由圖可見(jiàn)，對(duì)于圓套圓中空夾層鋼管混凝土柱，達(dá)到耐火極限時(shí)柱中部會(huì)發(fā)生外鋼管局部鼓曲的現(xiàn)象，而內(nèi)部混凝土和內(nèi)鋼管由于受到外鋼管的約束作用其工作性能相對(duì)較好；對(duì)于方套方鋼管混凝土柱，其外鋼管向外的局部屈曲明顯，且在極限狀態(tài)時(shí)角部焊縫發(fā)生了斷裂，內(nèi)部混凝土被壓潰，內(nèi)鋼管發(fā)生了局部屈曲。2023/10/27蘭州理工大學(xué)482023/10/27蘭州理工大學(xué)494.FRP約束鋼管混凝土柱的耐火性能FRP約束鋼管混凝土柱是指在鋼管混凝土柱外包FRP材料而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，組合柱管內(nèi)核心混凝土處于FRP和鋼管的共同約束作用下。