中空不锈钢管—夹层混凝土—碳素钢管柱抗火性能有限元分析

中空不锈钢管夹层混凝土碳素钢管柱抗火性能有限元分析中空不锈钢管 - 夹层混凝土 - 碳素钢管柱是将传统中空夹层钢管混凝土组合结构中的外钢管用不锈钢管替代后形成的新型组合结构。此类构件兼具中空夹层钢管混凝土组合结构截面开展、抗弯刚度大、 自重轻、承载力高和不锈钢材料耐高温耐腐蚀的优良性能 , 特别适合用于对稳定性和耐高温、 耐腐蚀要求较高的 ( 超 )高层建筑与工业厂房等工程中。目前关于中空夹层钢管混凝土组合结构和不锈钢管混凝土柱在常温下和高温下力学性能的研究已较为系统, 关于中空不锈钢管 - 夹层混凝土 - 碳素钢管柱在常温下的力学性能研究也已有报道, 但缺乏对其高温下的力学性能的研究。因此 ,本文将对圆套圆中空不锈钢管- 夹层混凝土 - 碳素钢管柱的抗火性能进行研究, 主要研究内容及成果如下 :(1) 建立了不锈钢管混凝土柱常温轴压、普通钢管混凝土柱耐火极限、普通中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和不锈钢管混凝土柱耐火极限有限元分析模型 , 将计算得到的试件常温下的轴力- 跨中位移关系曲线和高温下的轴向变形 - 时间关系曲线与已有试验结果进行比较, 间接验证了中空不锈钢管-夹层混凝土 - 碳素钢管柱耐火极限有限元分析模型的可靠性。(2) 采用顺序热力耦合方法和已验证的中空不锈钢管 - 夹层混凝土 - 碳素钢管柱耐火极限有限元分析模型 , 对典型试件的耐火工作机理进行了分析。分析内容包括试件常温轴压极限承载力、 试件温度分布、 试件的破坏形态与高温下的轴向变形 - 时间关系曲线、内外钢管与混凝土的应力和应变。结果表明 , 中空不锈钢管 - 夹层混凝土 - 碳素钢管柱具有良好的抗火性能 ; 其在高温下的破坏属于整体屈曲破坏 ; 当空心率较小且火灾荷载比较小时 , 试件高温下的轴向变形 - 时间关系曲线会出现二次膨胀阶段。(3) 在明晰中空不锈钢管 -夹层混凝土 - 碳素钢管柱耐火工作机理的基础上, 开展了影响该类构件抗火性能因素的参数分析共计144 次。具体分析参数包括 : 空心率、火灾荷载比、荷载偏心率、内钢管屈服强度和混凝土强度。分析结果表明: 空心率、火灾荷载比和荷载偏心率对试件的耐火极限影响较大 ; 在本论文参数分析范围内, 试件的耐火极限随着空心率的增加而增加 ; 当空心率较小时 , 混凝土强度对试件耐火极限影响较大 ; 当空心率较大时 , 内钢管屈服强度对试件耐火极限影响较大。(4) 基于参数分析的结果 , 从抗火设计方法、 防火保护层厚度、 材料强度选择及生产加工方面对中空不锈钢管 - 夹层混凝土 - 碳素钢管柱的抗火设计提出了几点建议。