薄壁型钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究

摘要

薄壁型钢－混凝土组合梁(简称组合梁)是一种新型组合构件，正逐步应用于桥梁工程、多低层建筑、高层楼盖结构。为科学认识其耐火性能并为其防火保护提供依据，本文对组合梁在ISO-834标准升温曲线下的抗火性能进行了理论研究及试验研究。 首先，本文在考虑材料非线性和几何非线性的基础上，采用有限单元与有限差分相结合的方法，编写了ANSYS热分析程序，在计算程序得到相关文献验证的基础上，分析了组合梁截面的温度场。其次，在得到相关文献验证良好的基础上建立了常温下求解组合梁极限抗弯承载力的非线性有限元模型，为火灾下施加“静力荷载水平”提供了依据。然后，在运用ANSYS进行结构抗火性能分析可行性论证的基础上，编制了计算组合梁耐火极限的非线性有限元程序，并选择性地对组合梁耐火极限影响因数进行了参数化分析。最后，对设计的5根简支组合梁在ISO-834标准升温曲线下进行了耐火试验研究。 理论研究及试验研究表明：1)构件截面的温度分布是非线性的，如果给予一定厚度的防火涂层，仍可以用型钢下翼缘与腹板转角处的温度来定义临界温度，由此判定组合梁是否失效。2)在升温前期(约前30min)，填充混凝土的组合梁薄壁钢板各点温度明显比不填充混凝土时低，降幅约30％～60％。3)荷载水平对组合梁耐火极限影响很大；荷载比一定时，防火保护层厚度对组合梁耐火性能影响显著，薄壁型钢腹板高度及其厚度对组合梁耐火性能也有一定影响，而混凝土强度、薄壁型钢下翼缘厚度、加载位置和加载方式对组合梁耐火性能影响很小。4)简支组合梁跨中位移达到L/25(L为梁净跨)以后，跨中变形速率增加得很快，短时间内跨中位移即可达到L/20，可取跨中位移达到L/25作为判断组合梁达到抗火极限状态的界限。5)高温下内填混凝土和型钢腹板界面之间的粘结力容易破坏，最明显的现象是火灾后两者之间留有较宽的缝隙。6)在“静力荷载”水平=0.6的条件下，钢梁无防火保护的组合梁的耐火极限仅在6min～20min之内，为提高构件的抗火性能，多数情况下钢梁需要采取防火保护，使构件达到《建筑设计防火规范规定》的耐火极限要求。7)由于填充混凝土的吸热作用及其对薄壁钢板局部屈曲的有利影响，填充混凝土组合梁的抗火性能要明显好于不填充混凝土的组合梁。