华侨大学硕士学位论文薄壁型钢-混凝土梁-柱节点抗火性能研究姓名：王传奇申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：高轩能20090601I摘 要 薄壁型钢混凝土组合结构是一种新型的结构形式，正逐步应用于桥梁工程、多低层建筑、高层楼盖结构。为深入认识其耐火性能并为其防火保护提供依据，论文对薄壁型钢混凝土梁- 柱节点在 I S O - 8 3 4 标准升温曲线下的抗火性能进行了数值模拟理论研究。 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 A N S Y S热分析程序，在计算程序得到相关文献验证的基础上，分析了梁- 柱组合节点截面的温度场。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梁- 柱组合节点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 A N S Y S进行结构抗火性能分析可行性论证的基础上，编制了计算梁- 柱组合节点耐火极限的非线性有限元程序，并对梁- 柱组合节点耐火极限影响因素进行了参数化分析。 通过理论分析及有限元数值模拟计算，得到以下主要结论: ( 1 ) 在I S O - 8 3 4 升温曲线的升温条件下，构件截面的温度场分布不均匀，单纯地采用临界温度来判定结构是否失效不准确；( 2 ) 荷载水平对薄壁型钢- 混凝土梁- 柱节点的耐火极限影响很大；当荷载水平一定时，防火保护层厚度对梁- 柱组合节点的耐火极限影响显著，而其他参数对梁- 柱组合节点耐火极限影响较小；( 3 ) 高温下薄壁型钢- 混凝土梁- 柱节点的破坏主要表现为钢板的局部屈曲；( 4 ) 薄壁型钢- 混凝土梁- 柱节点在不加防火保护时的耐火极限仅为 1 5 m i n - 2 5 m i n左右，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，梁- 柱组合节点的抗火性能明显要好于同等条件的纯钢结构节点。 关键词：薄壁型钢混凝土组合结构；梁- 柱节点；热分析；耐火性能 IIAbstract Thin- walled steel- concrete composite structure is a new kind of composite structure，which has been adapted gradually in bridge structures, multi or low- rises buildings, and high- rises floor structures. In order to realize the fire resistance performance of Thin- walled steel- concrete beam- to- column joint (TSBJ) and provide credibility basis of fireproofing coating, numerical simulation theoretical researches are carried out according to international standard ISO- 834. Considering the nonlinearity of material and geometry, this paper adopted a combination method of finite element and finite- difference to compose a thermal- analysis program of ANSYS validated by the good agreement with relate literature a nd calculated the temperature field of the component of the TSBJ. Secondly, a nonlinear finite element model validated by the good agreement with relate literature was set up for calculating the ultimate flexural capacity of TSBJ, which provide basis for getting “load ratio” that brought to bear on TSBJ under fire. And then, based on having demonstrated the feasibility of using ANSYS to analyze fire resistance of structures, a procedure to calculate the fire duration of TSBJ was programmed, and some selected factors have been taken account of in parameter analysis. Through theoretical analysis, simulated calculation by finite element method, the paper give some conclusions as follows: (1) when exposed to ISO- 834 standard fire curve, temperature distribution of TSBJ 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 TSBJ, 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 TSBJ under high temperature is the local buckling of steel slab; (4) the fire duration of unprotected TSBJ are only about 15min- 25min, 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, TSBJ have better fire resistance than unfilled steel structures. Keywords: Thin- walled steel- concrete composite structure; beam- to- column joint; thermal analysis; fire resistance performance 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： 日期： 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： 指导教师签名： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 华侨大学 2 0 0 9 届硕士学位论文 薄壁型钢- 混凝土梁- 柱节点抗火性能研究 1 第一章 绪 论 1 . 1 课题的研究背景及意义 火灾高温对结构材料的性能特别是力学性能具有显著的影响。如结构钢的屈服强度和弹性模量随温度的上升而下降，当温度超过 550 时, 普通结构用钢材将丧失大部分强度和刚度。火灾时, 建筑室内的空气温度半小时内可达到 800 1200 , 因此无保护的钢结构在火灾中极易受到损害。混凝土在火灾高温下会发生爆裂，其强度和刚度也会降低。火灾造成的结构破坏，除造成人员伤亡以及直接经济损失外( 结构损失) ，还可能造成更大因结构功能失效的间接经济损失。 随着国民经济的迅猛发展和建筑水平的提高，建筑物高层化、大规模化及用途的复合化，火灾发生因素随之增加，火灾规模也日趋扩大。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。当今，火灾已成为世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。国内外统计表明，每年由火灾引起的直接经济损失与该国GDP的比例约为0.1% 0.2% ，而由火灾引起结构失效造成的间接经济损失，约为火灾直接经济损失的3倍。 可见, 进行结构抗火理论研究具有重要意义，通过系统的理论研究，建立科学的结构抗火设计方法，以避免因结构在火灾中破坏或倒塌所造成的人员伤亡，并减少因结构在火灾中的破坏或倒塌所造成的经济损失。 以往，国内外学者在组合结构构件耐火性能研究方面取得了不少成果，为人们认识整体结构在火灾下的力学性能打下了坚实基础。实际上，不同构件是通过节点相互联系，且形成的多为高度冗余的体系，在受火过程中单个构件抗力的下降，势必在体系之内引起内力重分布1。此外，升温过程中材料的膨胀与降温过程中材料的收缩都会在体系内部产生内力，甚至引起柱失稳和梁发生局部屈曲2。因此，单个构件的性能并不能很好地反映结构的整体受力情况。所以虽然目前对于组合结构构件耐火性能的研究，已取得一定进展，在较为系统的理论分析和试验研究结果的基础上已获得构件耐火极限实用计算方法，但目前其抗火性能研究基本还局限在构件的层次，研究重点有待于向结构体系的性能研究上发展，这里首先需要解决的问题就是其梁- 柱节点在火灾下的性能。 节点是结构受力的关键部位，研究其高温力学性能是研究框架乃至整体结构在火第一章 绪论 2灾下力学性能的重要基础。在火灾作用下，组合结构材料的强度和刚度会随着火灾温度的升高而不断降低，使得常温下表现为刚接节点的承载能力和抗变形能力在火灾下大大降低，因而火灾下节点整体表现出一定的半刚性，从而使得结构的变形性能以及内力重分布的机制发生改变34。由此可见，进行组合结构梁- 柱连接节点火灾下力学性能的研究非常的必要，并且也是解决薄壁型钢- 混凝土结构抗火的性能化设计问题的重要环节。 1 . 2 薄壁型钢组合结构的概念和特点 钢结构通常分为两大类5，一类是由热轧工字钢、钢板或其他型钢制成的构件，这类钢结构被称为热轧钢结构；另一类是由薄钢板冷弯成型后制成的轻型构件，被称为冷弯薄壁型钢结构，相对于普通钢结构而言，它又被称为轻型钢结构。 轻钢结构中大量应用冷弯薄壁型钢来制作，其截面形状和尺寸可按合理方案设计。薄壁型钢的壁厚一般为0.6mm-