火灾全过程后钢管混凝土柱滞回性能试验研究

硕士学位论文1第4章火灾全过程后钢管混凝土柱滞回性能24.1引言........................................................................................................24.2试验概况..............................................................................................24.3.1试件设计与制作...............................................................................24.3.2材料的力学特性...............................................................................34.3.3试验装置和试验方法.......................................................................44.3.4试验量测内容和量测方法...............................................................84.3试验现象、试验结果与分析......................................................94.3.1试验现象...........................................................................................94.3.2火灾全过程中钢管混凝土柱轴向变形...........................................94.3.3P-滞回曲线...................................................................................104.3.4P-滞回曲线关系骨架线...............................................................104.3.5火灾后构件的承载力.....................................................................104.3.6荷载退化曲线..................................................................................114.3.7刚度退化曲线.................................................................................124.3.8延性.................................................................................................134.3.9耗能能力.........................................................................................134.3.10荷载－应变滞回曲线.....................................................................144.3.11弯矩（M）-曲率()滞回曲线.......................................................154.4结论......................................................................................................17火灾作用全过程后钢管混凝土柱滞回性能及加固试验研究2第4章火灾作用全过程后钢管混凝土柱滞回性能试验研究4.1引言国内外对钢管混凝土火灾后滞回性能的研究还较少。林小康（2006）进行了9个圆形和9个方形钢管混凝土柱高温后的滞回性能试验研究，但其研究存在不足：钢管混凝土柱在火灾作用(包括升温和降温)的过程中，始终处于自由状态，构件没有受荷载作用且没有边界约束条件，这显然与建筑物发生火灾时多处于使用状态或施工状态下承受着一定的荷载和约束这一基本前提不符，因此其研究不能反映实际结构在遭受火灾后产生的残余应力和残余应变对结构力学性能的影响。基于这一点，本文进行了有初始应力的钢管混凝土火灾全过程后滞回性能的试验研究。本试验研究的目的：(1)了解火灾全过程后钢管混凝土柱滞回破坏形态；(2)了解不同的温度－力作用路径对火灾后钢管混凝土柱滞回性能的影响；(3)考查不同的火灾荷载比对火灾全过程后钢管混凝土柱滞回性能的影响；(4)为火灾全过后钢管混凝土柱抗震理论分析提供试验数据，验证理论分析的准确性。4.2试验概况4.2.1试件设计与制作对经历火灾全过程后的6个圆钢管混凝土柱滞回性能进行了试验，表4.1列出了试件的详细资料。试件编号中，C表示圆形截面，F表示受火状态，编号中没有F表示为常温状态。D为圆钢管混凝土截面外直径，st为钢管壁厚，to为升温时间，Rt为构件在相应轴压比下的耐火极限，n为轴压比（uoNNn，oN为试验时柱顶所施加的轴向力，uoN为常温下钢管混凝土轴心受压极限承载力，uoN按韩林海（2004）3.132式和3.134式确定），ueP为试验所得滞回曲线上的峰值荷载的平均值。图4.1….为试件加工详图。圆钢管采用直缝焊接管，焊接按国家标准GB50017-2003硕士学位论文3《钢结构设计规范》进行设计,采用坡口焊形式。试件加工时，先作出长度为1920m的空钢管，并在钢管上端距端头200mm处设计两个直径为20mm的半圆形排气孔。为了使钢管能够牢固地嵌固在刚性支座中，在钢管下端焊接四块加劲板，并在加劲板上打孔，以使支座钢筋从孔中穿过。在钢管底部要求焊接一块底板，可以方便混凝土浇筑和肋板的焊接。柱高取基座顶部到侧向力加载点的距离，即柱子试验长度，为1500mm。每个试件均浇筑一个2000mm×700mm×420mm的刚性基座，对刚性基座给予足够的配筋以保证基座在试验过程中不发生过早的破坏。4.2.2材料的力学特性钢材的材性由标准拉伸试验确定：将每类钢板都做成每组三个的标准试件，并进行拉伸试验，测试方法依据国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T228－2002）的有关规定进行，测得钢材的力学性能如表4.2所示。表4.2钢材的力学性能钢板厚度mm)(st屈服强度Mpa)(yf抗拉强度Mpa)(uf屈强比uyff弹性模量Mpa)(sE屈服应变y()63934500.8732.05×1051915表4.1火灾全过程后钢管混凝土柱滞回试验试件一览表序号试件编号stD(mm)升温时间to（min.）Rt(min.)ncuf(MPa)uoN(kN)oN(kN)ueP(kN)1C2330×60.258.6(27号)554211082882CF2990140/980.258.6554211083CF029900-0.255.1(26号)537710754CF2660140/99.80.255.1(26号)537710755CF0660054.8(20号)53620106－136－196计算6CF22290×4.682052/370.235310712437CF422052/370.435310712438CF622025/27.10.63531071864火灾作用全过程后钢管混凝土柱滞回性能及加固试验研究44.68380.75470.6952.05×1051842混凝土立方体抗压强度cuf由与试件同条件下养护成型的150mm×150mm×150mm立方体试块抗压强度试验测得，测试方法依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行，混凝土立方体抗压强度cuf见表4.1。混凝土的弹性模量cE参考《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）进行取值。4.2.3试验装置和试验方法整个试验过程分两个阶段进行。图4.2和图4.3为试验时所需装置示意图，图4.4和图4.5为试验时试验装置情景图。第一阶段为火灾全过程试验，采用图4.2和图4.4所示装置，采用本课题组研制的复合升温结构柱高温试验炉按照ISO-834标准升（降）温曲线进行试验。构件安装时，注：图中长度单位均为mm。15004205002000300400腹筋三排622@60622@60上层双排622@60下层单排622@75箍筋410@1001920322图4.1试件加工详图圆形排气孔600200191219203508加劲板圆孔端板400600底板加劲板钢管硕士学位论文5将柱放置在图4.3和图4.4所示位置，考虑到安装高温炉时空间不够，压梁和作动器先不安装，只安装加载横梁，然后扣上高温试验炉进行试验。施加轴力时,先取竖向轴力的40％～50％加、卸载一次，以消除试件内部组织不均匀性，再加载至满载并一直保持到试验结束。升温时，柱子所受的轴压力oN由2个穿心式千斤顶提供。待炉膛温度降至室温时，将炉体撤除，并保持柱子所受轴压力oN不变，进行第二阶段试验。第二阶段为火灾全过程后钢管混凝土柱滞回性能试验，采用的试验装置如图4.3和图4.4所示。在第一阶段试验完成后，柱子承受一定轴压力oN情况下，把压梁和作动器安装好，再进行高温后钢管混凝土柱滞回性能试验。试验时，维持恒定轴力oN，然后通过作动器对试件施加水平横向位移。正式试验前，先预加反复荷载一次，以检查试验装置及各测量仪表的反应是否正常。本试验采用了课题组自行设计研制的一套最大加载能力为1500kN，绝对行程为500mm的作动器[陈良，2008]，但该系统还不具备力控制的功能，只能采用位移控制加载，因此本试验的加载全过程均采用位移控制方法。本文的加载程序在ATC-24（1992）建议的加载程序基础上作了部分改变，即将屈服前采用荷载控制阶段的加载方式改为变形控制，试件屈服后仍采用ATC-24（1992）建议的变形控制方法，变形值取试件的屈服位移，并以该位移值的倍数为级差进行控制加载。根据ATC-24（1992）建议，取对应0.7cP（cP为水平极限承载力）的位移为屈服位移y，在试件屈服前，采用0.25y、0.5y、0.7y进行加载。试件达到屈服后，采用1y、1.5y、2.0y、3.0y、5.0y、7.0y、8.0y进行加载。每级荷载循环的圈数不一样，对于屈服前的三级，每级荷载循环2圈，对于屈服后各级，前面3级荷载(1y、1.5y、2.0y)循环3圈，其余的循环2圈，如图4.4所示。为了确定cP和y，本文参考（林小康，2006）ABAQUS有限元模型对钢管混凝土柱在轴力和水平力共同作用下的位移－力全过程曲线进行计算，从而得到所需要的cP,y。但该模型在计算火灾后压弯钢管混凝土构件没有考虑火灾荷载的影响，（黄国旺，2008）对有初始应力的钢管混凝土短柱在火灾作用全过程后轴压力学性能的试验研究结果表明，受火前的初始应力对火灾后钢管混凝土短柱的轴压承载力没有明显的影响。当构件破坏或者横向荷载下降到横向极限承载力85％，试验终止。火灾作用全过程后钢管混凝土柱滞回性能及加固试验研究6位移传感器（LVDT）两个穿心式千斤顶施加轴力0N加载横梁燃气喷口构件炉体热电偶电热丝图4.2结构柱火灾全过程试验装置示意图图4.3火灾作用全过程后钢管混凝土柱滞回性能试验装置示意图反力墙压梁单向铰高强钢棒(2×1500kN)(630kN,5