钢混凝土组合柱抗火设计.pptx

1.1.型钢混凝土柱型钢混凝土柱 1.11.1 设计原理设计原理 1.2 1.2 耐火极限实用设计方法耐火极限实用设计方法2.2.钢管混凝土柱钢管混凝土柱 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 设计原理设计原理 2.3 2.3耐火极限实用计算方法耐火极限实用计算方法 2.4 2.4 防火保护层厚度计算防火保护层厚度计算 2.5 2.5 火灾后剩余承载力计算火灾后剩余承载力计算 2.6 2.6 钢管混凝土柱防火构造措施钢管混凝土柱防火构造措施 2.7 2.7 钢管混凝土柱温度场的计算钢管混凝土柱温度场的计算 3.3.中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能 4.FRP 4.FRP约束钢管混凝土柱的耐火性能约束钢管混凝土柱的耐火性能2024/8/7 周三兰州理工大学12024/8/7 周三兰州理工大学21.1.型钢混凝土柱型钢混凝土柱1.11.1设计原理设计原理1.1.1 1.1.1“火灾有效荷载火灾有效荷载”确定确定 图示为按国际标准化委员会标准图示为按国际标准化委员会标准ISO-834ISO-834规定的标准升温曲线升温作用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随荷载的变化规律。下型钢混凝土轴心受压构件绕强轴弯曲时耐火极限随荷载的变化规律。根据国家标准根据国家标准GB 50009-2001GB 50009-2001，建筑结构的，建筑结构的设计应根据使用过程中可能同时出现的荷设计应根据使用过程中可能同时出现的荷载，按承载力极限状态和正常使用极限状载，按承载力极限状态和正常使用极限状态进行荷载效应组合，并取各自的最不利态进行荷载效应组合，并取各自的最不利的效应组合进行设计。的效应组合进行设计。对给定某一型钢混凝土柱进行耐火极限计对给定某一型钢混凝土柱进行耐火极限计算时，由于不知道其承受的永久荷载和可算时，由于不知道其承受的永久荷载和可变荷载究竟有多大，所以无法直接计算出变荷载究竟有多大，所以无法直接计算出2024/8/7 周三兰州理工大学3 有效荷载有效荷载 但型钢混凝土的抗力但型钢混凝土的抗力R R是已知的，因此可以通过是已知的，因此可以通过S=RS=R近似确定近似确定 。若近似将可变荷载效应控制的组合情况下的平均值为若近似将可变荷载效应控制的组合情况下的平均值为1.31.3，永久，永久荷载效应控制的均值为荷载效应控制的均值为1.3751.375，暂取小值，暂取小值1.31.3，则可近似导得型钢，则可近似导得型钢混凝土柱的火灾有效荷载表达式：混凝土柱的火灾有效荷载表达式：1.1.2 1.1.2 重要影响参数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，构件长细比，截面含钢率，截面配筋率，荷载括：截面周长，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，钢筋屈服强度，混凝土强度和截面高偏心率，钢骨屈服强度，钢筋屈服强度，混凝土强度和截面高宽比等。宽比等。（1 1）截面周长）截面周长2024/8/7 周三兰州理工大学4 （2 2）构件长细比）构件长细比（1 1）截面周长）截面周长2024/8/7 周三兰州理工大学5（3 3）截面含钢率）截面含钢率 （4 4）截面配筋率）截面配筋率2024/8/7 周三兰州理工大学6（5 5）荷载偏心率）荷载偏心率 （6 6）钢骨屈服强度）钢骨屈服强度2024/8/7 周三兰州理工大学7（7 7）钢筋屈服强度）钢筋屈服强度 （8 8）混凝土强度）混凝土强度2024/8/7 周三兰州理工大学8（9 9）截面高宽比）截面高宽比计算获得的型钢混凝土轴心受压柱按计算获得的型钢混凝土轴心受压柱按ISO-834ISO-834标准升温曲线升温、在标准升温曲线升温、在不同升温时刻温度场作用下的不同升温时刻温度场作用下的 关系曲线和关系曲线和 N-MN-M 关系曲线。关系曲线。算例条件算例条件：2024/8/7 周三兰州理工大学92024/8/7 周三兰州理工大学10为便于分析，定义火灾下型钢混凝土柱承载力的影响系数为便于分析，定义火灾下型钢混凝土柱承载力的影响系数KtKt表达表达式如下：式如下：影响火灾下型钢混凝土柱承载力的可能因素有：截面周长，构件影响火灾下型钢混凝土柱承载力的可能因素有：截面周长，构件长细比，受火时间，截面含钢率，截面配筋率，荷载偏心率，钢长细比，受火时间，截面含钢率，截面配筋率，荷载偏心率，钢骨屈服强度，钢筋屈服强度，混凝土强度和截面高宽比等。骨屈服强度，钢筋屈服强度，混凝土强度和截面高宽比等。以算例：以算例：来分析各参数对火灾作用下型钢混凝土压弯构件承载力影响系数来分析各参数对火灾作用下型钢混凝土压弯构件承载力影响系数KtKt的影响规律。（截面形式为的影响规律。（截面形式为：）2024/8/7 周三兰州理工大学11（1 1）截面尺寸）截面尺寸2024/8/7 周三兰州理工大学12（2 2）构件长细比）构件长细比2024/8/7 周三兰州理工大学13（3 3）截面含钢率）截面含钢率2024/8/7 周三兰州理工大学14（4 4）截面配筋率）截面配筋率2024/8/7 周三兰州理工大学15（5 5）荷载偏心率）荷载偏心率2024/8/7 周三兰州理工大学16（6 6）钢骨屈服强度）钢骨屈服强度2024/8/7 周三兰州理工大学17（7 7）钢筋屈服强度）钢筋屈服强度2024/8/7 周三兰州理工大学18（8 8）混凝土强度）混凝土强度2024/8/7 周三兰州理工大学19（9 9）截面高宽比）截面高宽比2024/8/7 周三兰州理工大学20结论：结论：火灾作用下钢骨屈服强度、钢筋屈服强度、混凝土强度、截面火灾作用下钢骨屈服强度、钢筋屈服强度、混凝土强度、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率和截面高宽比等参数对型钢含钢率、截面配筋率、荷载偏心率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；而截面周长、构混凝土压弯构件承载力影响系数的影响较小；而截面周长、构件长细比和受火时间则是影响火灾下型钢混凝土压弯构件承载件长细比和受火时间则是影响火灾下型钢混凝土压弯构件承载力的主要因素力的主要因素。1.1.2 1.1.2 耐火极限实用计算方法耐火极限实用计算方法如前所述，火灾作用对型钢混凝土构件的承载力有较大的影响。如前所述，火灾作用对型钢混凝土构件的承载力有较大的影响。在对大量数值计算结果整理分析的基础上，可回归出在对大量数值计算结果整理分析的基础上，可回归出C C，和和t t为为参数的标准火灾作用下型钢混凝土柱承载力影响系数参数的标准火灾作用下型钢混凝土柱承载力影响系数KtKt的简化的简化计算公式。计算公式。2024/8/7 周三兰州理工大学21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，参数：比较，参数：2024/8/7 周三兰州理工大学22根据根据型钢混凝土组合结构技术规程型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001JGJ138-2001或或钢骨混钢骨混凝土结构设计规程凝土结构设计规程YB9082-97YB9082-97计算出型钢混凝土压弯构件的承计算出型钢混凝土压弯构件的承载力后，将其乘以系数载力后，将其乘以系数KtKt值，即可获得压弯构件在标准火灾作值，即可获得压弯构件在标准火灾作用下的承载力：用下的承载力：简化公式适用于不同受火时间作用下构件承载力的计算。在实简化公式适用于不同受火时间作用下构件承载力的计算。在实际工程设计中，对应构件的设计荷载，利用简化公式，可以得际工程设计中，对应构件的设计荷载，利用简化公式，可以得出在某一特定时刻出在某一特定时刻t t，构件火灾下的承载力与设计荷载相等时对，构件火灾下的承载力与设计荷载相等时对应的火灾作用下的耐火极限。应的火灾作用下的耐火极限。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 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），（即火灾时作用在柱上的荷载与其常温极限承载力的比值），且火灾荷载比限值不应超过火灾下荷载影响系数且火灾荷载比限值不应超过火灾下荷载影响系数KtKt。由承载力。由承载力2024/8/7 周三兰州理工大学23 影响系数简化公式可得到对应一定火灾荷载比下的耐火极限简化影响系数简化公式可得到对应一定火灾荷载比下的耐火极限简化计算公式：计算公式：2 2 钢管混凝土钢管混凝土2.1 2.1 概述概述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。矩形。2024/8/7 周三兰州理工大学242.2 2.2 设计原理设计原理2.2.1 2.2.1 耐火极限和防火保护层耐火极限和防火保护层在火灾有效荷载作用下，影响钢管混凝土柱耐火极限的因素包括：在火灾有效荷载作用下，影响钢管混凝土柱耐火极限的因素包括：截面周长、长细比、防火保护层厚度、截面含钢率、荷载偏心率、截面周长、长细比、防火保护层厚度、截面含钢率、荷载偏心率、钢材屈服强度和混凝土强度等。（以矩形钢管混凝土为例）钢材屈服强度和混凝土强度等。（以矩形钢管混凝土为例）（1 1）截面周长）截面周长（2 2）长细比）长细比2024/8/7 周三兰州理工大学25（3 3）防火保护层厚度）防火保护层厚度影响火灾下裸钢管混凝土柱承载力的可能因素主要有：钢材屈服影响火灾下裸钢管混凝土柱承载力的可能因素主要有：钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率、构件截面尺寸、构件长细比、荷载强度、混凝土强度、含钢率、构件截面尺寸、构件长细比、荷载偏心率和受火时间，对于矩形混凝土还有截面高宽比等。大规模偏心率和受火时间，对于矩形混凝土还有截面高宽比等。大规模参数分析的结果表明，上述各参数中，参数分析的结果表明，上述各参数中，构件截面尺寸、构件长细构件截面尺寸、构件长细2024/8/7 周三兰州理工大学26比比和和受火时间受火时间的影响最为显著，而其他因素的影响不大。的影响最为显著，而其他因素的影响不大。类似型钢混凝土，定义火灾下钢管混凝土柱承载力的影响系数类似型钢混凝土，定义火灾下钢管混凝土柱承载力的影响系数KtKt。下面以矩形钢管混凝土为例，说明影响下面以矩形钢管混凝土为例，说明影响KtKt的因素。的因素。（1 1）截面周长）截面周长 算例条件：算例条件：2024/8/7 周三兰州理工大学27(2)(2)构件长细比构件长细比算例条件：算例条件：2024/8/7 周三兰州理工大学28 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，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，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。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、耐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、耐火极限、截面尺寸和长细比。火极限、截面尺寸和长细比。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。算例条件：规律。算例条件：2024/8/7 周三兰州理工大学29（1 1）水泥砂浆保护层）水泥砂浆保护层2024/8/7 周三兰州理工大学30（2 2）厚涂型钢结构防火涂料保护层）厚涂型钢结构防火涂料保护层2024/8/7 周三兰州理工大学312.2.2 2.2.2 火灾后的剩余承载力火灾后的剩余承载力考虑火灾作用（火灾曲线按国际标准升温考虑火灾作用（火灾曲线按国际标准升温ISO-834ISO-834的有关规定确定）的有关规定确定）和不考虑火灾作用时钢管混凝土压弯构件典型的和不考虑火灾作用时钢管混凝土压弯构件典型的 关系曲线：关系曲线：影响火灾后钢管混凝土压弯构件剩余承载力的可能因素有：钢材影响火灾后钢管混凝土压弯构件剩余承载力的可能因素有：钢材和混凝土的强度、构件截面尺寸、构件长细比、荷载偏心率、受和混凝土的强度、构件截面尺寸、构件长细比、荷载偏心率、受2024/8/7 周三兰州理工大学32火时间和防火保护层厚度等，对于矩形钢管混凝土，还有截面高火时间和防火保护层厚度等，对于矩形钢管混凝土，还有截面高宽比。宽比。为便于分析，定义火灾作用对钢管混凝土构件承载力影响系数为便于分析，定义火灾作用对钢管混凝土构件承载力影响系数KrKr：（1 1）构件截面尺寸）构件截面尺寸 算例条件：算例条件：2024/8/7 周三兰州理工大学33（2 2）长细比）长细比 （3 3）防火保护层厚度）防火保护层厚度2024/8/7 周三兰州理工大学34 火灾作用对钢管混凝土构件的刚度也有影响。为便于分析，定义火灾作用对钢管混凝土构件的刚度也有影响。为便于分析，定义火灾后钢管混凝土抗弯刚度影响系数为火灾后钢管混凝土抗弯刚度影响系数为K KB B：影响影响K KB B的主要因素是：火灾持续时间、钢管混凝土构件的截面尺的主要因素是：火灾持续时间、钢管混凝土构件的截面尺寸和含钢率。寸和含钢率。（1 1）截面尺寸）截面尺寸 算例条件：算例条件：2024/8/7 周三兰州理工大学35（2 2）含钢率）含钢率2024/8/7 周三兰州理工大学362.3 2.3 耐火极限实用计算方法耐火极限实用计算方法如前所述，构件截面尺寸、构件长细比和受火时间是影响钢管混凝如前所述，构件截面尺寸、构件长细比和受火时间是影响钢管混凝土柱火灾下承载力影响系数土柱火灾下承载力影响系数KtKt的最主要因素，因此，在大规模参数的最主要因素，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量，通过回归分析的方法分析结果的基础上，以这三个参数为基本量，通过回归分析的方法可推导出可推导出KtKt的数学表达式。的数学表达式。2.4 2.4 防火保护层厚度计算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他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他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。范的要求。当保护层为厚防火涂料性能应符合中国工程建设标准化协会标准当保护层为厚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型钢结构防火涂料时，涂料应用技术规范钢结构防火涂型钢结构防火涂料时，涂料应用技术规范CECS24CECS24：9090和国家标准和国家标准钢结构防火涂料钢结构防火涂料GB149072002GB149072002的有关的有关规定。规定。2024/8/7 周三兰州理工大学37基于数值计算结果，提出按规范基于数值计算结果，提出按规范ISO-834ISO-834或或GB/T 9978-1999GB/T 9978-1999规定的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数据均基本吻合。算方法，计算结果与数值计算和实验数据均基本吻合。2.5 2.5 火灾后剩余承载力计算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如前所述，影响火灾后裸钢管混凝土柱承载力影响系数KrKr的因素的因素主要是：受火时间、截面尺寸（截面周长、长细比）。在大规模主要是：受火时间、截面尺寸（截面周长、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析的方法推导出KrKr的表达式。的表达式。2.6 2.6 防火构造措施防火构造措施根据抗火设计，当钢管混凝土柱需要防火保护时，可采用水泥砂根据抗火设计，当钢管混凝土柱需要防火保护时，可采用水泥砂浆、防火涂料、防火板、柔性毡等措施。下面例举几种钢柱的防浆、防火涂料、防火板、柔性毡等措施。下面例举几种钢柱的防火保护构造措。火保护构造措。1.1.防火板保护（钢柱用钢龙骨固定的防火板构造）防火板保护（钢柱用钢龙骨固定的防火板构造）2024/8/7 周三兰州理工大学382024/8/7 周三兰州理工大学392024/8/7 周三兰州理工大学402.2.复合防火保护复合防火保护2024/8/7 周三兰州理工大学412024/8/7 周三兰州理工大学422024/8/7 周三兰州理工大学433.3.柔性毡状隔热材料防火保护柔性毡状隔热材料防火保护2024/8/7 周三兰州理工大学442.7 2.7 钢管混凝土柱截面温度场的计算钢管混凝土柱截面温度场的计算由由Lie(1994)Lie(1994)、LieLie和和Chabot(1990)Chabot(1990)给出：给出：1 1 钢材的热膨胀系数钢材的热膨胀系数2 2 钢材的导热系数钢材的导热系数3 3 钢材的比热和容重钢材的比热和容重一般取一般取 s=7850kg/s=7850kg/2024/8/7 周三兰州理工大学454 4 混凝土的热膨胀系数（普通混凝土，钙质）混凝土的热膨胀系数（普通混凝土，钙质）5 5 混凝土的导热系数（普通混凝土，钙质）混凝土的导热系数（普通混凝土，钙质）6 6 混凝土的比热和容重（普通混凝土，钙质）混凝土的比热和容重（普通混凝土，钙质）2024/8/7 周三兰州理工大学463.3.中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能中空夹层钢管混凝土较实心混凝土柱具有相对更好的耐火性能，中空夹层钢管混凝土较实心混凝土柱具有相对更好的耐火性能，这是由于内钢管受到混凝土的保护，可延缓其温度上升，因而在这是由于内钢管受到混凝土的保护，可延缓其温度上升，因而在受火过程中可承担更大的重分布内力。受火过程中可承担更大的重分布内力。下图为实验后圆形柱和方形柱的整体破坏形态以及内部混凝土和下图为实验后圆形柱和方形柱的整体破坏形态以及内部混凝土和内钢管的情况。由图可见，对于圆套圆中空夹层钢管混凝土柱，内钢管的情况。由图可见，对于圆套圆中空夹层钢管混凝土柱，达到耐火极限时柱中部会发生外钢管局部鼓曲的现象，而内部混达到耐火极限时柱中部会发生外钢管局部鼓曲的现象，而内部混凝土和内钢管由于受到外钢管的约束作用其工作性能相对较好；凝土和内钢管由于受到外钢管的约束作用其工作性能相对较好；对于方套方钢管混凝土柱，其外钢管向外的局部屈曲明显，且在对于方套方钢管混凝土柱，其外钢管向外的局部屈曲明显，且在极限状态时角部焊缝发生了断裂，内部混凝土被压溃，内钢管发极限状态时角部焊缝发生了断裂，内部混凝土被压溃，内钢管发生了局部屈曲。生了局部屈曲。2024/8/7 周三兰州理工大学472024/8/7 周三兰州理工大学484.FRP4.FRP约束钢管混凝土柱的耐火性能约束钢管混凝土柱的耐火性能FRPFRP约束钢管混凝土柱是指在钢管混凝土柱外包约束钢管混凝土柱是指在钢管混凝土柱外包FRPFRP材料而形成的一种材料而形成的一种组合结构，组合柱管内核心混凝土处于组合结构，组合柱管内核心混凝土处于FRPFRP和钢管的共同约束作用下。和钢管的共同约束作用下。陶忠等（陶忠等（20072007）进行了）进行了FRPFRP约束钢管混凝土柱的耐火极限实验。研究约束钢管混凝土柱的耐火极限实验。研究表明，火灾下厚涂型钢结构防火涂料与试件可共同工作，只是当试件表明，火灾下厚涂型钢结构防火涂料与试件可共同工作，只是当试件达到耐火极限时，在钢管出现局部鼓曲位置的防火保护层易于脱落。达到耐火极限时，在钢管出现局部鼓曲位置的防火保护层易于脱落。失去防火保护的失去防火保护的FRPFRP材料在高温下失效，对应位置的核心混凝土由于材料在高温下失效，对应位置的核心混凝土由于高温和高温和FRPFRP失效共同影响导致钢管约束能力降低而发生了压溃现象。失效共同影响导致钢管约束能力降低而发生了压溃现象。下图所示为带防火保护层的下图所示为带防火保护层的FRPFRP约束钢管混凝土偏压试件受火后的整约束钢管混凝土偏压试件受火后的整体破坏形态，以及钢管和核心混凝土的破坏形态。由图可知，除钢管体破坏形态，以及钢管和核心混凝土的破坏形态。由图可知，除钢管发生鼓曲的位置，防火保护层和发生鼓曲的位置，防火保护层和FRPFRP材料之间可以较好的共同工作。材料之间可以较好的共同工作。2024/8/7 周三兰州理工大学49Thank you!