钢混凝土组合柱抗火计算方法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/5/14,*,钢-混凝土组合柱,抗火计算方法,型钢混凝土（,SRC,）柱,钢管混凝土（,CFST,）柱,12/12/2025,2,第一节 型钢混凝土柱,型钢混凝土柱,是由于内部钢骨（如工字钢、钢管等）与外包混凝土形成整体，其受力性能优于钢和混凝土的简单叠加。,图,9.1,型钢混凝土柱典型截面形式,12/12/2025,1.1 “火灾有效荷载”的确定,右图为按,ISO-834,规定的标准升温曲线升温作用下型钢混凝土轴心受压构件绕强轴弯曲时耐火极限（,t,R,）随荷载的变化规律。,12/12/2025,4,根据国家荷载标准,GB50009-2001,，建筑结构的设计应根据使用过程中可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行荷载组合，并取各自的最不利组合进行设计。,设型钢混凝土柱的抗力为,R,，则其承载能力状态表示为,S=R,若近似将可变荷载效应控制的组合情况下荷载分项系数的平均值为,1.3,，永久荷载效应控制的平均值取为,1.375,，取较小值并根据上式可近似导出钢管混凝土柱的火灾有效荷载表达式,S,L,=,12/12/2025,1.2 重要影响参数,在火灾有效荷载作用下，影响型钢混凝土柱耐火极限的因素包括：截面周长（C）、构件长细比（）、截面含钢率（）、截面配筋率（）、荷载偏心率（）钢骨屈服强度（f,y,）、钢筋屈服强度（f,yb,）、混凝土强度（f,cu,）、截面高宽比（）等。,12/12/2025,12/12/2025,7,为便于分析，定义火灾下,型钢混凝土柱承载力的影响系数,k,t,表达式如下：,k,t,=,式中，,N,u,和,N,u,(t),分别为常温下和火灾作用下型钢混凝土柱的极限承载力。,影响火灾下型钢混凝土柱承载力的可能因素有：截面周长（,C,）、构件长细比（,）、受火时间（,t,）、截面含钢率（,）、截面配筋率（,）、荷载偏心率（）钢骨屈服强度（,f,y,）、钢筋屈服强度（,f,yb,）、混凝土强度（,f,cu,）和截面高宽比（,）等。,12/12/2025,下面通过典型算例来分析各参数火灾作用下对,k,t,的影响：,9.14,截面尺寸对的影响,12/12/2025,12/12/2025,9.22,截面高宽比对的影响,(a),绕强轴弯曲,(b),绕弱轴弯曲,12/12/2025,13,由图,9.14,至,9.22,所示，截面周长（,C,）、构件长细比（,）、受火时间（,t,）是影响火灾下型钢混凝土压弯构件承载力的主要因素，截面含钢率（,）、截面配筋率（,）、荷载偏心率（）钢骨屈服强度（,f,y,）、钢筋屈服强度（,f,yb,）、混凝土强度（,f,cu,）和截面高宽比（,）等参数对型钢混凝土压弯构件承载力影响系数的影响较小。,12/12/2025,1.3 耐火极限实用计算方法,在对大量数值计算结果整理分析的基础上，可回归出以,C,，,和,t,为参数的标准火灾作用下型钢混凝土柱承载力影响系数,k,t,的简化计算公式。,在工程常用的参数范围内，,k,t,可用下式计算：,k,t,=,其中，,a=a,1,/(1.03C,0,-0.21);,b=b,1,(8.79C,0,+5.85)/(-1.43+14.85C,0,+1);,a,1,=9.9-9.27exp(-0.2);,b,1,=1.01-0.23exp(-0.78);,C,0,=C/2000;,0,=/40;t,0,=t/300.,12/12/2025,右图为型钢混凝土柱承载力影响系数简化计算结果与数值计算结果的比较。可见简化结果与数值计算结果符合较好。,12/12/2025,根据型钢混凝土组合结构技术规程,JGJ 138-2001,或钢骨混凝土结构设计规程,YB 9082-97,计算出型钢混凝土压弯构件的承载力后，将其乘以系数,k,t,值，即得压弯构件在标准火灾作用下的承载力：,N,u,(t)=k,t,N,u,为使型钢混凝土柱满足耐火极限要求，应限制其火灾荷载比,n,（即火灾时作用在柱上的荷载与其常温极限承载力的比值），且火灾荷载比不应超过火灾下承载力影响系数,k,t,。因此可得到对应一定火灾荷载比下的耐火极限简化确定公式：,t,R,=300（-1）,12/12/2025,第二节 钢管混凝土柱,目前工程中最常见的钢管混凝土柱横截面形式主要是,圆形,、,方形,和,矩形,。,图,9.25,常见的钢管混凝土柱横截面形式,(a),圆形；,(b),方形；,(c),矩形,12/12/2025,2.1 设计原理,2.1.1 耐火极限,在确定了钢材和核心混凝土的热工参数及高温下“力-热本构关系”模型的基础上，采用数值方法可计算出钢管混凝土构件截面的温度分布以及耐火极限。,在火灾情况下，钢管混凝土柱承受的荷载对其耐火极限有很大影响。与火灾下作用在型钢混凝土柱上的“火灾有效荷载”类似，火灾下钢管混凝土柱有效荷载取为,0.77R，R,为钢管混凝土柱的抗力。,12/12/2025,分析结果表明，在火灾有效荷载作用下，截面尺寸（,C,）、长细比（,）和防火保护层厚度（,）是影响钢管混凝土构件耐火极限的主要因素，其他参数影响较小。,下面以矩形钢管混凝土为例进行简要说明：,9.26,截面周长对耐火极限的影响,9.27,长细比对耐火极限的影响,9.28,防火保护层厚度对耐火极限的影响,12/12/2025,为便于分析，定义火灾下,钢管混凝土柱承载力的影响系数,k,t,表达式如下：,k,t,=,式中，,N,u,和,N,u,(t),分别为常温下和火灾作用下型钢混凝土柱的极限承载力。,对不同参数时钢管混凝土的,k,t,进行计算分析，得出相同参数下圆形、方形和矩形钢管混凝土柱承载力系数,k,t,的影响规律大致相同。下面以矩形钢管混凝土柱为例，说明构件截面尺寸、构件长细比和受火时间对,k,t,的影响规律。,12/12/2025,9.29,截面周长对的影响,9.30,构件长细比对的影响,12/12/2025,2.1.2 防火保护层,对于钢管混凝土柱的防火保护，常采用现场施工防火保护层的方法，最常用的防火保护材料有,水泥砂浆,和,厚涂型钢结构防火涂料,。,影响钢管混凝土柱防火保护层厚度（,）的主要参数包括：火灾荷载比（,n,）、耐火极限（,t,R,）、截面尺寸（,C,）和长细比（,）。下面以矩形钢管混凝土柱为例说明各参数对其防火保护层厚度的影响规律。,12/12/2025,12/12/2025,2.1.3 火灾后的剩余承载力,图,9-35,为考虑火灾（,ISO-834,标准火灾曲线）作用与否时钢管混凝土压弯构件典型的,N-,m,关系曲线。其中，,N,u,和,m,分别为不考虑火灾作用时构件的极限承载力及其对应的挠度；,N,u,(t),和,m,(t),则分别为考虑火灾作用影响时构件的极限承载力及其对应的挠度。,9.35,典型的,N-,关系曲线,12/12/2025,火灾作用时对圆钢管混凝土柱和方、矩形钢管混凝土柱承载力的影响规律基本类似。图,9-36,为,=20,情况下火灾持续时间,t,对钢管混凝土压弯构件承载力,N-M,相关关系的影响。计算条件：钢管截面外直径或外边长为,600mm,，,=0.1,，,Q345,钢，,C40,混凝土。,9.36,钢管混凝土构件的,N-M,相关曲线,(a),圆钢管混凝土；,(b),方钢管混凝土,(a),(b),12/12/2025,影响火灾后的钢管混凝土压弯构件剩余承载力的可能因素主要有：钢材和混凝土强度（,f,y,，f,cu,）、含钢率（,）、截面尺寸(,D或B,)、长细比（,）、荷载偏心率（,e/r,）、受火时间（,t,）、防火保护层厚度（,）和高宽比（,）（针对矩形钢管混凝土）。,通过典型算例分析上述各参数对火灾后钢管混凝土压弯构件剩余承载力,N,u,(t),的影响规律。,定义火灾作用对,钢管混凝土构件承载力影响系数,k,r,：,k,r,=,式中，,N,u,和,N,u,(t),分别为常温下和火灾作用下构件的极限承载力。,12/12/2025,参数分析结果表明，火灾作用对钢管混凝土构件的承载力影响较大，无论是圆形、方形还是矩形钢管混凝土，各参数对,k,r,影响规律基本相似，主要影响因素是受火时间（,t,）、截面尺寸（,D或B,）、长细比（,）和防火保护层厚度（,）,9.37,构件截面尺寸对的影响,12/12/2025,火灾作用对钢管混凝土构件的刚度也有影响。定义火灾后,钢管混凝土抗弯刚度影响系数,k,B,：,k,B,=,式中，,K,c,(t),和,K,c,分别为火灾后和常温下钢管混凝土的抗弯刚度。,研究结果表明，在,ISO-834,标准火灾作用下，影响,k,B,的参数主要是火灾持续时间、截面尺寸和含钢率。,12/12/2025,29,9.40,抗弯刚度系数与火灾持续时间的关系,(a),截面尺寸；,(b),含钢率,(a),(b),12/12/2025,2.2 耐火极限实用计算方法,如前所述，构件截面尺寸（如横截面周长,C,）越大、构件长细比（,）、和受火时间（,t,）是影响钢管混凝土柱火灾下承载力影响系数,k,t,的最主要因素，因此，在大规模参数分析结果的基础上，以这三个参数为基本变量，通过回归分析的方法推导出,k,t,的数学表达式。,12/12/2025,主要给定钢管混凝土构件的横截面尺寸、长细比和火灾持续时间，即可利用式（,9-12,）方便的计算出火灾下构件的极限承载力影响系数,k,t,，进而利用下式确定火灾作用下构件的承载力：,N,u,(t)=k,t,N,u,（9-13）,其中，,N,u,和,N,u,(t),分别为钢管混凝土柱在常温下和火灾下的 极限承载力。,因此，火灾下为了使裸钢管混凝土满足耐火极限要求，其内力应满足如下条件，即,N N,u,(t),其中，,N,u,(t),按式（,9-13）,计算。,12/12/2025,2.3 防火保护层厚度计算,钢管混凝土柱防火应根据设计要求对其钢管采用喷涂防火涂料或其它有效外包覆防火措施，其耐火等级及耐火极限应满足国家有关规范的要求。,当保护层为厚土型钢结构防火涂料时，防火涂料性能应符合中国工程建设标准化协会标准钢结构防火涂料应用技术规范,CECS24：90,和国家标准钢结构防火涂料,GB 149072002,的有关规定。,基于数值计算结果，提出按规范,ISO-834,或,GB/T-1999,规定的标准升温曲线升温作用下钢管混凝土柱防火保护层厚度的实用计算方法，计算结果与数值计算和实验结果均基本吻合。,12/12/2025,2.4 火灾后剩余承载力计算,如前所述，影响火灾后裸钢管混凝土柱承载力影响系数,k,r,的因素主要是：受火时间（,t,）、截面尺寸（例如横截面周长,C,）和长细比（,）。在大规模参数分析结果的基础上，以这三个参数为基本变量，通过回归分析的方法推导出,k,r,的数学表达式。,12/12/2025,2.5 钢管混凝土柱防火构造措施,火灾作用下，核心混凝土中的自由水和分解水会发生蒸发现象。对实验现象的观测结果表明，为了保证核心混凝土中水蒸气的及时散发，保证结构的安全工作，在钢管混凝土柱上设置排气孔是必要的。,根据规程,DBJ13-51-2003,，每个楼层的柱均应设置直径为,20mm,的排气孔，其位置宜位于柱与楼板相交位置上方或下方,100mm,处，并沿柱身反对称布置，如右图所示。若根据抗火设计，当钢管混凝土柱需防火保护时，可用水泥砂浆、防火涂料、防火板、柔性毡等措施，具体构造如下（参见第十四章,p380-382,）：,12/12/2025,钢柱用钢龙骨固定的防火板构造,12/12/2025,钢柱用钢龙骨固定的防火板构造,12/12/2025,钢柱用钢龙骨固定的防火板构造,钢梁用防火板龙骨及钢龙骨固定的防火板保护构造,12/12/2025,吊车梁防火板保护,采用复合板防火保护的钢柱构造图,12/12/2025,采用复合板防火保护的钢柱构造图,12/12/2025,Thank you!,12/12/2025,