华侨大学硕士学位论文薄壁型钢-混凝土组合框架抗火性能的理论与实验研究姓名：彭观寿申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：高轩能20080501华侨大学硕士学位论文 - I - 摘摘 要要 薄壁型钢-混凝土组合框架结构是一种新型的结构形式，目前国内外仅对单个组合构件的耐火性能有所研究， 而对结构的整体耐火性能及抗火设计方法的研究尚未开展。 论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，分析了薄壁型钢-混凝土组合框架各截面的温度场，计算结果得到了相关文献的验证。其次，建立了常温下求解薄壁型钢-混凝土组合框架极限承载力非线性有限元模型，为火灾下施加“静力荷载水平”提供依据，有限元计算结果与文献试验结果吻合较好。然后，通过算例验证了采用 ANSYS 软件进行结构抗火性能分析的可行性，经济准确地计算出了组合框架在不同时间的抗火响应。最后，设计了一榀单层单跨薄壁型钢-混凝土组合框架，对其在火灾下的抗火性能进行了实验研究，实验结果验证了理论分析模型的合理性、准确性和可靠性。 通过理论分析、有限元软件的模拟计算，以及实验研究，得到以下主要结论:(1) 在 ISO-834 升温曲线作用下， 构件截面的温度场分布是不均匀的，故单纯地采用临界温度来判定结构是否失效是不准确的；(2) 荷载水平对薄壁型钢-混凝土组合框架的耐火极限影响很大，总能找到一个最佳荷载比，使得组合框架的耐火极限达到最大；当荷载比一定时，防火保护层厚度对组合框架的耐火极限影响显著， 而其他参数对组合框架耐火极限影响很小；(3) 高温下薄壁型钢-混凝土组合框架的破坏主要表现为钢板的局部屈曲；(4)薄壁型钢-混凝土组合框架在不加防火保护时的耐火极限仅为 815min 左右，多数情况下需要采取防火保护才能达到建筑设计防火规范规定的耐火极限要求；(5) 由于填充混凝土的吸热作用及其能有效阻止薄壁钢板局部屈曲的过早发生， 组合框架的抗火性能明显要好于同等条件的纯钢框架结构。 关键词：关键词：薄壁型钢-混凝土组合框架；热分析；承载力；耐火性能；实验 研究 华侨大学硕士学位论文 - II - Abstract Thin-walled steel-concrete composite frame(TSCF) is a new kind of structural forms. At present, some researches of fire resistance performance and fire resistance design only focus on the single component, but there is no research focus on the whole structure. Considering the nonlinearity of the material and geometry, this paper adopt a combination method of finite element and finite-difference, composed a thermal-analysis program of ANSYS, calculated the temperature field of the components of the TSCF, calculation results are validated by related literature. Secondly, nonlinear finite element model was set up for calculating the ultimate capacity of TSCF, which provide basis for getting the level of load that bringing to bear on TSCF under fire, calculation results of the finite element fit well with the experimental results. And then, demonstrated the feasibility of using ANSYS to analysis fire resistance of structures by cases, economically and accurately studied the fire response of the composite structure in different times. At last, designed a TSCF with only one floor and one span, studied the fire resistance performance of it with a experiment, the experimental results validated that the theoretical analysis model is rational、 exact and reliable. After theoretical analysis, simulated calculation by finite element method and experimental study, the paper give some conclusions as follows: (1) when exposed to ISO-834 standard fire curve, temperature distribution of TSCF sections is not uniform, so it is unreasonable simply using critical temperature to determine invalidation of the structure;(2) load ratios have great influence on fire duration of the TSCF, there is a fine load ratio which can make the TSCF get the longest fire duration; when the load ratio is constant, cover thickness has the most influence on fire duration, while other factors have little influences; (3) the destroy character of the TSCF under high temperature is the local buckling of steel slab; (4) the fire duration of unprotected TSCF are only about 815min, it always need fire proofing coating to reach the corresponding demand of GBJ50016-2006; (5) owing to decalescence of filled concrete which also can prevent local bulking efficiently, TSCF have better fire resistance than unfilled steel structures. Keywords: thin-walled steel-concrete composite frame; thermal analysis; bearing capacity; fire resistance performance; experimental research原创性声明 原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名： 学位论文作者签名： 日期： 日期： 学位论文版权使用授权声明 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名： 论文作者签名： 指导教师签名： 指导教师签名： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 华侨大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 薄壁型钢-混凝土组合结构的概念和特点 薄壁型钢-混凝土组合结构的概念和特点 冷弯薄壁型钢是由钢板经冷加工而成的型材，采用冷弯型钢机成型、压力机上模压成型或在弯曲机上弯曲成型。截面种类较多，有角钢、槽钢、Z 型钢、帽形钢、钢管等，其中前面三种又可带卷边或不带卷边，如图 1-1 所示。这些型钢可单独使用，也可组合成组合截面。因厚度较薄，可使截面的刚度增大而得到更经济的截面。我国目前常用的冷弯薄壁型钢厚度在 26mm 之间，截面的尺寸还未定型，具体尺寸由各厂家提供。 薄壁型钢-混凝土组合结构(以下简称薄壁组合结构)是由冷弯薄壁型钢和混凝土组成并联合成为整体而共同工作的一种结构形式(图 1-2)。薄壁组合构件按受力特点可分为组合柱、组合梁和组合板三种结构形式。 薄壁组合柱主要指的是薄壁钢管混凝土柱，(Concrete-Filled Steel Tube，简称CFST)， 是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件，是一种将钢管和混凝土的优点结合在一起而发展起来的新型结(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)图图 1-1 冷弯薄壁型钢截面 冷弯薄壁型钢截面 (a) 角钢；(b) 带卷边角钢；(c) 槽钢；(d) 带卷边槽钢；(e) Z 型钢；(f) 带卷边 Z 型钢； (g) 帽形钢；(h) 焊接方管；(i) 焊接圆管；(j)组合截面；(k)压型钢板 图图 1-2 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢-混凝土组合结构体系混凝土组合结构体系 华侨大学硕士学位论文 - 2 - 构构件形式。按截面形式的不同，钢管混凝土构件可分为圆形截面、方形截面、矩形截面和多边形截面(如图1-3)，其中圆形截面、方形截面和矩形截面钢管混凝土的应用较为广泛。 薄壁组合梁的截面形式多种多样，图 1-4 给出了文献及工程实际中试用较多的五种主要截面形式， 其中(a)为采用冷弯成 U 型(帽型)截面的钢板作为梁肋， 在 U 型截面的肋部和上部翼缘中浇捣混凝土而形成的帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁；组合梁(b)、(c)中钢梁分别是由两个相同的冷弯槽型钢板焊接而成的箱型截面和工字型截面；组合梁(d)、(e)则分别用带卷边的冷弯 Z 型钢和 C 型钢组成槽型截面，而后浇注混凝土。 薄壁组合板主要指的是压型钢板-混凝土组合楼板，是指将压型钢板与混凝土通过某种构造措施组合成整体而共同工作的受力构件，简称组合板，如图 1-5 所示。 薄壁型钢-混凝土组合结构是由冷弯薄壁型钢和混凝土两种材料组成的结构形式。混凝土宜于受压，钢材宜于受拉，将钢与混凝土结合在一起而共同工作，可以扬长避短， 充分发挥两种材料的优势， 因此这种结构