钢-混凝土组合结构火灾力学性能及工程应用

第1章 钢管混凝土柱-钢梁框架的耐火性能 001
1.1 圆钢管混凝土柱- 钢梁框架的耐火性能 001
1.1.1 引言 001
1.1.2 火灾下钢管混凝土平面框架结构有限元计算模型的建立 001
1.1.2.1 典型框架的确定 001
1.1.2.2 材料热工参数和热力学模型 003
1.1.2.3 有限元模型概述 004
1.1.2.4 有限元模型的验证 004
1.1.3 框架温度场 007
1.1.4 火灾下钢管混凝土框架结构耐火性能分析 007
1.1.4.1 局部破坏形态 008
1.1.4.2 整体破坏形态 010
1.1.5 结论 011
1.2 矩形钢管混凝土柱- 钢梁平面框架的耐火性能 012
1.2.1 引言 012
1.2.2 矩形钢管混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型 012
1.2.2.1 典型框架的确定 012
1.2.2.2 材料热工参数和热力学模型 013
1.2.2.3 有限元模型及其网格划分 013
1.2.2.4 有限元模型的验证 013
1.2.3 框架温度场 014
1.2.4 框架结构耐火性能 014
1.2.4.1 破坏形态及破坏机理 014
1.2.4.2 框架结构耐火极限 016
1.2.5 结论 016 第2章 端部约束钢管混凝土柱的耐火性能 018
2.1 端部约束钢管混凝土柱的耐火性能参数分析 018
2.1.1 引言 018
2.1.2 火灾下端部约束钢管混凝土柱耐火性能有限元计算模型 019
2.1.2.1 端部约束钢管混凝土柱耐火性能计算模型 019
2.1.2.2 材料热工参数和热力学模型 020
2.1.3 端部约束钢管混凝土柱耐火性能的参数分析 020
2.1.3.1 轴向约束刚度的影响 020
2.1.3.2 转动约束刚度的影响 024
2.1.3.3 轴向约束和转动约束共同作用 026
2.1.4 结论 033
2.2 受框架约束钢管混凝土柱的耐火性能参数分析 033
2.2.1 引言 033
2.2.2 火灾下框架约束钢管混凝土柱耐火性能有限元计算模型 033
2.2.2.1 典型框架的确定 033
2.2.2.2 有限元模型概述 035
2.2.3 材料热工及高温性能参数 035
2.2.4 框架梁柱截面温度场 035
2.2.5 火灾下框架整体的破坏形态 035
2.2.6 火灾下钢管混凝土柱的破坏形态 036
2.2.6.1 四面受火柱 036
2.2.6.2 三面受火柱 037
2.2.7 框架柱耐火极限参数分析 037
2.2.7.1 四面受火框架柱 038
2.2.7.2 三面受火框架柱 039
2.2.8 结论 039 第3章 钢筋混凝土框架结构的耐火性能 041
3.1 轴向约束钢筋混凝土T 形梁的耐火性能参数分析 041
3.1.1 引言 041
3.1.2 火灾下钢筋混凝土T 形梁的有限元计算模型 041
3.1.2.1 钢筋混凝土T 形梁模型 041
3.1.2.2 材料热工参数及高温力学性能参数 042
3.1.2.3 有限元模型的建立 042
3.1.3 钢筋混凝土T 形梁的耐火性能参数分析 044
3.1.3.1 轴向约束刚度比的选取 044
3.1.3.2 梁的破坏形式和耐火极限的参数分析 045
3.1.3.3 钢筋和混凝土应力分布规律 046
3.1.4 结论 049
3.2 钢筋混凝土框架结构耐火性能及抗火设计方法 049
3.2.1 引言 049
3.2.2 钢筋混凝土框架结构耐火性能高效计算模型 049
3.2.2.1 典型框架的确定 049
3.2.2.2 火灾场景设计 050
3.2.2.3 有限元模型概述 051
3.2.3 框架结构的破坏形态及耐火极限 051
3.2.3.1 框架结构耐火极限的定义 051
3.2.3.2 框架结构的破坏形态及耐火极限 051
3.2.4 框架的局部破坏形态 052
3.2.4.1 变形及内力 052
3.2.4.2 框架结构的耐火极限状态 054
3.2.4.3 框架的耐火极限 055
3.2.5 框架结构的整体破坏形态 055
3.2.5.1 变形及内力 055
3.2.5.2 框架结构的耐火极限状态 058
3.2.5.3 耐火极限 058
3.2.6 框架结构抗火设计方法 058
3.2.7 结论 059 第4章 型钢混凝土结构耐火性能试验研究及计算模型 060
4.1 受约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究及计算模型 060
4.1.1 引言 060
4.1.2 型钢混凝土约束柱耐火性能试验研究 060
4.1.2.1 试验设计及试验装置 060
4.1.2.2 试验过程 064
4.1.2.3 试验结果及分析 064
4.1.3 型钢混凝土约束柱耐火性能分析 073
4.1.3.1 计算模型的建立 073
4.1.3.2 试验温度场分析 073
4.1.3.3 柱顶竖向位移-时间关系 074
4.1.3.4 柱顶转角位移-时间关系 076
4.1.4 结论 077
4.2 型钢混凝土框架结构耐火性能试验研究及计算模型 078
4.2.1 引言 078
4.2.2 型钢混凝土框架结构耐火性能试验研究 079
4.2.2.1 试验概况 079
4.2.2.2 框架的破坏形态 088
4.2.2.3 框架梁受剪破坏形态 088
4.2.2.4 框架梁柱破坏形态 095
4.2.2.5 框架柱破坏形态 099
4.2.2.6 框架梁耐火性能分析 114
4.2.2.7 柱破坏时框架耐火性能分析 115
4.2.3 型钢混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型 116
4.2.3.1 温度场计算模型 116
4.2.3.2 高温下力学性能计算模型 119
4.2.3.3 型钢混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型的验证 121
4.2.3.4 小结 129
4.2.4 结论 129 第5章 型钢混凝土框架结构耐火性能分析 131
5.1 竖向荷载作用下型钢混凝土框架结构的耐火性能 131
5.1.1 引言 131
5.1.2 有限元计算模型 131
5.1.2.1 典型框架的确定 131
5.1.2.2 有限元模型概述 133
5.1.2.3 有限元模型的验证 134
5.1.3 框架的破坏形态及耐火极限 136
5.1.4 框架的局部破坏形态 138
5.1.4.1 变形及内力重分布 138
5.1.4.2 耐火极限 150
5.1.5 框架的整体破坏形态 150
5.1.5.1 变形及内力重分布 150
5.1.5.2 耐火极限 157
5.1.6 结论 157
5.2 水平荷载作用下型钢混凝土框架结构的耐火性能 158
5.2.1 引言 158
5.2.2 有限元计算模型 159
5.2.2.1 典型框架的确定 159
5.2.2.2 火灾场景设计 160
5.2.2.3 有限元模型 161
5.2.2.4 有限元模型的验证 161
5.2.3 框架的破坏形态及耐火极限 161
5.2.4 框架整体倾覆破坏形态 163
5.2.4.1 变形及破坏形态 163
5.2.4.2 耐火极限 173
5.2.5 框架梁破坏形态 173
5.2.5.1 变形及破坏形态 173
5.2.5.2 耐火极限 176
5.2.6 框架顶层破坏形态 177
5.2.6.1 变形及破坏形态 177
5.2.6.2 耐火极限 179
5.2.7 结论 180
5.3 火灾降温阶段型钢混凝土结构力学性能研究 180
5.3.1 引言 180
5.3.2 型钢混凝土框架结构升降温力学性能试验 181
5.3.2.1 试验概况 181
5.3.2.2 试验结果及分析 181
5.3.3 型钢混凝土柱升降温力学性能试验 184
5.3.4 理论分析 184
5.3.4.1 理论分析方法 184
5.3.4.2 型钢混凝土柱 185
5.3.4.3 型钢混凝土框架 186
5.3.5 结论 188 第6章 火灾后型钢混凝土结构的静力力学性能 189
6.1 火灾后型钢混凝土柱力学性能试验研究 189
6.1.1 引言 189
6.1.2 试验方案 189
6.1.2.1 考虑火灾作用全过程的火灾后型钢混凝土柱力学性能试验方法 189
6.1.2.2 试件设计 190
6.1.2.3 试验装置 192
6.1.3 试验结果 192
6.1.3.1 温度场试验结果 192
6.1.3.2 破坏形态 193
6.1.3.3 柱顶竖向位移 196
6.1.3.4 柱荷载-位移曲线 197
6.1.4 火灾后承载能力的参数分析 198
6.1.4.1 受火时间的影响 199
6.1.4.2 含钢率的影响 199
6.1.4.3 荷载比的影响 199
6.1.5 结论 200
6.2 考虑火灾全过程的型钢混凝土柱力学性能计算模型 200
6.2.1 引言 200
6.2.2 有限元模型的建立 201
6.2.2.1 温度场计算模型 201
6.2.2.2 材料力学性能计算模型 202
6.2.3 温度场计算结果与实测结果的对比 208
6.2.4 柱顶位移计算结果与实测结果的对比 209
6.2.5 火灾后承载能力 211
6.2.6 结论 211
6.3 火灾后型钢混凝土偏心受压柱偏心距增大系数计算方法 212
6.3.1 引言 212
6.3.2 试验概况 213
6.3.3 火灾后型钢混凝土偏心受压柱偏心距增大系数 213
6.3.4 偏心距增大系数η 的计算 214
6.3.4.1 基本假定 214
6.3.4.2 火灾后SRC 柱极限曲率的计算 215
6.3.4.3 曲率修正系数k1、k2 216
6.3.5 试验验证 216
6.3.6 结论 217 第7章 火灾后型钢混凝土柱的抗震性能 218
7.1 火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验研究 218
7.1.1 引言 218
7.1.2 火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验 218
7.1.2.1 试件设计 218
7.1.2.2 温度场试验 220
7.1.2.3 试验加载装置及加载制度 221
7.1.3 试验结果 222
7.1.3.1 温度场分布 222
7.1.3.2 破坏形态 223
7.1.3.3 滞回曲线及骨架曲线 225
7.1.4 结论 226
7.2 火灾后型钢混凝土柱抗震性能有限元计算模型 227
7.2.1 引言 227
7.2.2 有限元计算模型 227
7.2.2.1 材料热工参数及温度场计算模型 227
7.2.2.2 火灾后力学性能计算模型 227
7.2.3 温度场计算结果与实测结果的对比 232
7.2.4 破坏形态计算结果与试验结果的对比 234
7.2.5 滞回曲线计算结果与实测结果的对比 234
7.3 火灾后型钢混凝土柱恢复力计算模型 235
7.3.1 引言 235
7.3.2 试件概况 236
7.3.3 火灾后型钢混凝土柱的恢复力模型 236
7.3.3.1 骨架曲线 236
7.3.3.2 恢复力模型 244
7.3.3.3 试验曲线与计算曲线的比较 245
7.3.4 结论 245 第8章 火灾后型钢混凝土框架结构抗震性能 248
8.1 火灾后SRC 柱-SRC 梁框架抗震性能试验研究 248
8.1.1 引言 248
8.1.2 试验概况 248
8.1.2.1 试件制作及模型的选取 248
8.1.2.2 试验装置和测试内容 251
8.1.3 试验过程 253
8.1.4 框架升降温试验的结果及分析 254
8.1.4.1 试验现象和破坏特征 254
8.1.4.2 温度-时间关系曲线 257
8.1.4.3 位移-时间关系曲线 258
8.1.5 火灾后抗震性能试验结果及分析 260
8.1.5.1 试验现象和破坏特征 260
8.1.5.2 火灾后抗震性能试验破坏形态 263
8.1.5.3 滞回曲线及骨架曲线 266
8.1.6 抗震性能的参数分析 267
8.1.6.1 滞回性能参数分析 267
8.1.6.2 刚度退化规律 270
8.1.6.3 阻尼系数 271
8.1.6.4 延性 271
8.1.7 结论 273
8.2 火灾后SRC 柱-RC 梁框架结构抗震性能试验研究 273
8.2.1 引言 273
8.2.2 试件设计 274
8.2.3 试验装置和测试内容 276
8.2.3.1 试验装置 276
8.2.3.2 量测内容 278
8.2.4 试验过程 280
8.2.4.1 升降温力学性能试验 280
8.2.4.2 火灾后框架抗震性能试验 280
8.2.5 框架升降温试验的结果及分析 281
8.2.5.1 试验现象和破坏特征 281
8.2.5.2 温度-时间关系曲线 282
8.2.5.3 位移-时间关系曲线 283
8.2.6 火灾后抗震性能试验结果及分析 285
8.2.7 火灾后抗震性能试验破坏形态比较分析 292
8.2.8 滞回曲线及骨架曲线 293
8.2.9 抗震性能的参数分析 294
8.2.9.1 滞回性能 294
8.2.9.2 刚度退化规律 295
8.2.9.3 延性 296
8.2.9.4 阻尼系数 297
8.2.10 结论 298
8.3 火灾后型钢混凝土框架结构抗震性能计算模型 298
8.3.1 引言 298
8.3.2 材料热工参数及温度场计算模型 298
8.3.3 材料本构关系 299
8.3.3.1 钢材 299
8.3.3.2 混凝土 299
8.3.3.3 升温、降温及火灾后各阶段材料本构关系的转变 300
8.3.4 混凝土与型钢、钢筋之间界面的黏结-滑移特性 300
8.3.4.1 型钢与混凝土之间的黏结滑移特性 300
8.3.4.2 钢筋与混凝土之间的黏结滑移特性 300
8.3.4.3 钢筋-混凝土、型钢-混凝土界面处理 300
8.3.5 有限元模型的网格划分 301
8.3.6 温度场计算结果与实测结果的对比 302
8.3.7 滞回曲线计算结果与实测结果的对比 303
8.3.7.1 破坏形态 303
8.3.7.2 滞回曲线 305
8.3.8 结论 307
8.4 基于梁柱单元的火灾后框架结构力学性能分析方法 307
8.4.1 引言 307
8.4.2 分析方法简介 308
8.4.2.1 全过程火灾后建筑结构力学性能分析原理 308
8.4.2.2 分析过程 308
8.4.2.3 材料子程序（UMAT）编制方法 308
8.4.3 升温、降温及火灾后各阶段混凝土的应力-应变关系 309
8.4.3.1 升温阶段 309
8.4.3.2 降温阶段 310
8.4.3.3 火灾后阶段 310
8.4.4 升温、降温及火灾后阶段钢材的应力-应变关系 311
8.4.4.1 应力-应变关系 311
8.4.4.2 钢材的强化模型 312
8.4.5 混凝土塑性增量本构关系 312
8.4.5.1 屈服函数及增量本构关系 312
8.4.5.2 混凝土应力-塑性应变关系及塑性模量 314
8.4.5.3 升温阶段温度变化前后应力应变状态的转变 316
8.4.5.4 强化模型 317
8.4.6 分析方法的验证 317
8.4.6.1 钢筋混凝土框架耐火性能试验 317
8.4.6.2 火灾升降温及火灾后型钢混凝土柱力学性能试验 318
8.4.6.3 火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验 319
8.4.7 结论 321
8.5 火灾后高层型钢混凝土框架结构的抗震性能评估 322
8.5.1 引言 322
8.5.2 计算原理 322
8.5.3 典型型钢混凝土框架结构的设计 322
8.5.4 框架结构地震静力非线性分析 325
8.5.4.1 升降温过程中框架截面温度场及力学性能变化规律 325
8.5.4.2 火灾后框架在地震力作用下破坏形态的参数分析 329
8.5.4.3 火灾后框架水平地震承载能力的参数分析 331
8.5.5 非线性地震时程分析 333
8.5.5.1 顶层位移 334
8.5.5.2 弹塑性层间位移角 335
8.5.5.3 底层剪力- 时间关系 336
8.5.6 结论 336
8.6 型钢混凝土结构火灾后性能评估方法的工程应用 337
8.6.1 引言 337
8.6.2 TVCC 建筑结构的总体评估思路 338
8.6.3 火灾现场调查及数值模拟 339
8.6.4 火灾与荷载耦合分析方法 343
8.6.5 整体结构的火灾全过程反应分析 343
8.6.6 火灾后整体结构及构件承载能力验算 346
8.6.6.1 火灾后整体结构承载能力验算 346
8.6.6.2 火灾后构件承载能力验算 346
8.6.7 试验研究 347
8.6.8 结语 349 参考文献 350 主要参考文献 354