接触热阻对钢管混凝土结构抗火性能影响研究

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1、接触热阻对钢管混凝土结构抗火性能影响研究　　接触热阻对钢管混凝土结构抗火性能影响研究　　接触热阻对钢管混凝土结构抗火性能影响研究　　接触热阻对钢管混凝土结构抗火性能影响研究1绪论1.1引言钢管混凝土结构以其优异的组合性能,目前被广泛应用于建筑结构领域。通常,根据钢管混凝土结构的截面形式不同,可以分为:圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土。就两种材料性质而言,钢材强度高、韧性好、自重轻,但是耐腐烛性差、成本高,而混凝土耐久性能良好、成本低,但抗拉强度低、韧性差,钢管混凝土组合结构结合了两种材料优势,并

2、弥补了各自材料单独存在时的不足,从而大大提高了该结构的整体性能。钢管混凝土组合结构在承受荷载时,外层钢管会对核心混凝土起到约束的作用,该约束作用使混凝土处于三向受压状态,不仅提高了混凝土的塑性性能,而且减缓了混凝土受压时纵向裂缝的发展。同时,由于核心混凝土的存在,有效的防止了钢管局部屈曲的发生,保证了外层钢管的稳定性,正是这两种材料的相互作用,很大程度的提高了结构的承载能力。钢管混凝土组合结构在火灾情况下,由于混凝土材料的热惰性,能够吸收大量热量,这样延缓钢材温度_的升髙,且在钢管屈服时混凝土仍能承受荷载,

3、从而提高了该组合结构的耐火极限。钢管混凝土组合结构在施工过程中,外层钢管自身可做为模版,从而免去支模、拆模和绑扎钢筋等工序,可见该结构在施工中方便且工期短。综合工程经验,钢管混凝土组合结构§对普通钢筋混凝土结构和钢结构,材料可节约将近50%,成本可节约将近50%,因此该组合结构还具有良好的经济效益[1]。钢管混凝土组合结构的演变和发展是在螺旋配筋混凝土及劲性钢筋混凝土的基础上的。1879年英国的Severn铁路桥桥墩是世界上最早采用钢管混凝土结构。之后,钢管混凝土结构幵始在桥梁墩柱、工业厂房柱等结

4、构中应用。当时钢管混凝土结构的应用,并没有考虑到钢管和混凝土的组合作用,之所以将混凝土饶灌如钢管中,仅仅为了防止钢管内壁生锈。在前苏联,对钢管混凝土组合结构进行试验研宄是从20世纪30年代开始,并于30年代末将其应用在桥梁结构中。之后在五六十年代,前苏联对钢管混凝土组合结构进行了丰富的、专业的研究,并将研宄成果广泛应用在建筑结构工程中。在英国、法国等西欧国家,对钢管混凝土结构的研宄以方形、圆形、矩形截面的结构为主,核心混凝土采用素混凝土或混凝土中配置钢筋或型钢。在美国和加拿大,对于钢管混凝土组合结构的研究主

5、要以研宄方形、圆形截面的结构为主,核心混凝土采用素混凝土。..........1.2课题研究背景火灾相对其他各种灾害,不仅易发生,且它的发生对人类生命、财产、社会都会造成巨大危害。由于火灾而造成的损失费在一些发达的国家几乎每年可多达几十亿美元,例如在1991年-1993年这段时间内,因火灾危害导致的直接经济损失,在美国该经济损失费用占GDP的0.25%,在德国该经济损失费用占GDP的0.21%,在英国该经济损失费用占GDP的0.19%,在加拿大该经济损失费用占GDP的0.24%[2]。近些年来,社会经济取得

6、了巨大发展,同时火灾导致的经济损失也在大幅增长,据相关统计,我国仅仅在1980年-2004年期间,由于火灾危害导致的财产损失从1亿元增长到了17亿元[3]。众所周知,钢材和混凝土作为钢管混凝土组合结构的主要建筑材料,两种材料的力学性能在高温环境下都会产生不同程度的降低,最终会导致钢管混凝土结构产生大变形、大位移或破坏,这会严重影响结构在火灾下的安全[高大楼在飞机撞击后,导致发生猛烈火灾,经研究发现最终导致大楼倒塌的直接原因是火灾,这次事件造成的死亡人数为2830人[9]。综上火灾造成严重危害的事件,研宄结构

7、构件及体系的耐火性能和高温下的破坏机理,从而改善建筑结构在火灾作用下的工作性能,这将对我们人类的安全、社会的安定以及环境保护都有重大意义。........2接触热阻对钢管混凝土高温下温度场影响分析2.1前言真实火灾环境试验是研宄钢管混凝土结构高温下力学性能最直接且最有效的方法,但是通常结构整体或部分构件的真实火灾试验成本相当高,因此通过试验研究所有影响的相关参数是不切实际的。目前有限元分析软件的不断发展且功能强大,很多学者通过有限元模型来模拟结构或构件在火灾(高温)下的温度场分布,这些有限元分析结果可作为试

8、验研宄的有效补充和扩展。本章主要利用热传导理论,通过通用有限元分析软件ABAQUS,考虑接触热阻的影响,建立钢管混凝土柱在高温下的温度场分析模型,并对比考虑和不考虑接触热阻两种情况的温度场结果,最后通过己有试验数据对考虑接触热阻的有限元分析模型进行验证。.......2.2钢管混凝土柱温度场计算模型2.2.1接触热阻值在ABAQUS中的设置钢管和混凝土表面并不是绝对光滑的,因此该组合结构在接触面会由于两种材料接触