鋼-混凝土組合柱抗火設計課件

1、導師：王文達導師：王文達 教授教授學生：韓學生：韓 祎祎學號：學號：122081402025122081402025 1. 1.型鋼混凝土柱型鋼混凝土柱 1.11.1 設計原理設計原理 1.2 1.2 耐火極限實用設計方法耐火極限實用設計方法2. 2.鋼管混凝土柱鋼管混凝土柱 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 設計原理設計原理 2.3 2.3耐火極限實用計算方法耐火極限實用計算方法 2.4 2.4 防火保護層厚度計算防火保護層厚度計算 2.5 2.5 火災后剩余承載力計算火災后剩余承載力計算 2.6 2.6 鋼管混凝土柱防火構造措施鋼管混凝土柱防火構造措施 2.7 2.7 鋼管混凝土柱

2、溫度場的計算鋼管混凝土柱溫度場的計算 3. 3. 中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能 4. FRP 4. FRP約束鋼管混凝土柱的耐火性能約束鋼管混凝土柱的耐火性能2021-11-11蘭州理工大學22021-11-11蘭州理工大學31. 1.型鋼混凝土柱型鋼混凝土柱1.11.1設計原理設計原理1.1.1 1.1.1 “火災有效荷載火災有效荷載”確定確定 圖示為按國際標準化委員會標準圖示為按國際標準化委員會標準ISO-834ISO-834規(guī)定的標準升溫曲線升溫作用規(guī)定的標準升溫曲線升溫作用下型鋼混凝土軸心受壓構件繞強軸彎曲時耐火極限隨荷載的變化規(guī)律。下型鋼混凝土軸心受壓

3、構件繞強軸彎曲時耐火極限隨荷載的變化規(guī)律。根據國家標準根據國家標準GB 50009-2001GB 50009-2001，建筑結構的，建筑結構的設計應根據使用過程中可能同時出現(xiàn)的荷設計應根據使用過程中可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀載，按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行荷載效應組合，并取各自的最不利態(tài)進行荷載效應組合，并取各自的最不利的效應組合進行設計。的效應組合進行設計。對給定某一型鋼混凝土柱進行耐火極限計對給定某一型鋼混凝土柱進行耐火極限計算時，由于不知道其承受的永久荷載和可算時，由于不知道其承受的永久荷載和可變荷載究竟有多大，所以無法直接計算出變荷載究竟有多大，所以

4、無法直接計算出2021-11-11蘭州理工大學4 有效荷載有效荷載 但型鋼混凝土的抗力但型鋼混凝土的抗力R R是已知的，因此可以通過是已知的，因此可以通過S=RS=R近似確定近似確定 。 若近似將可變荷載效應控制的組合情況下的平均值為若近似將可變荷載效應控制的組合情況下的平均值為1.31.3，永久，永久荷載效應控制的均值為荷載效應控制的均值為1.3751.375，暫取小值，暫取小值1.31.3，則可近似導得型鋼，則可近似導得型鋼混凝土柱的火災有效荷載表達式：混凝土柱的火災有效荷載表達式：1.1.2 1.1.2 重要影響參數重要影響參數在火災有效荷載作用下，影響型鋼混凝土柱耐火極限的因素包在火災

5、有效荷載作用下，影響型鋼混凝土柱耐火極限的因素包括：截面周長，構件長細比，截面含鋼率，截面配筋率，荷載括：截面周長，構件長細比，截面含鋼率，截面配筋率，荷載偏心率，鋼骨屈服強度，鋼筋屈服強度，混凝土強度和截面高偏心率，鋼骨屈服強度，鋼筋屈服強度，混凝土強度和截面高寬比等。寬比等。（1 1）截面周長）截面周長2021-11-11蘭州理工大學5 （2 2）構件長細比）構件長細比（1 1）截面周長）截面周長2021-11-11蘭州理工大學6（3 3）截面含鋼率）截面含鋼率 （4 4）截面配筋率）截面配筋率2021-11-11蘭州理工大學7（5 5）荷載偏心率）荷載偏心率 （6 6）鋼骨屈服強度）鋼骨

6、屈服強度2021-11-11蘭州理工大學8（7 7）鋼筋屈服強度）鋼筋屈服強度 （8 8）混凝土強度）混凝土強度2021-11-11蘭州理工大學9（9 9）截面高寬比）截面高寬比計算獲得的型鋼混凝土軸心受壓柱按計算獲得的型鋼混凝土軸心受壓柱按ISO-834ISO-834標準升溫曲線升溫、標準升溫曲線升溫、在不同升溫時刻溫度場作用下的在不同升溫時刻溫度場作用下的 關系曲線和關系曲線和 N-MN-M 關系曲線。關系曲線。算例條件算例條件： 2021-11-11蘭州理工大學102021-11-11蘭州理工大學11為便于分析，定義火災下型鋼混凝土柱承載力的影響系數為便于分析，定義火災下型鋼混凝土柱承載

7、力的影響系數KtKt表達表達式如下：式如下：影響火災下型鋼混凝土柱承載力的可能因素有：截面周長，構件影響火災下型鋼混凝土柱承載力的可能因素有：截面周長，構件長細比，受火時間，截面含鋼率，截面配筋率，荷載偏心率，鋼長細比，受火時間，截面含鋼率，截面配筋率，荷載偏心率，鋼骨屈服強度，鋼筋屈服強度，混凝土強度和截面高寬比等。骨屈服強度，鋼筋屈服強度，混凝土強度和截面高寬比等。以算例：以算例：來分析各參數對火災作用下型鋼混凝土壓彎構件承載力影響系數來分析各參數對火災作用下型鋼混凝土壓彎構件承載力影響系數KtKt的影響規(guī)律。（截面形式為的影響規(guī)律。（截面形式為： ）2021-11-11蘭州理工大學12（

8、1 1）截面尺寸）截面尺寸2021-11-11蘭州理工大學13（2 2）構件長細比）構件長細比2021-11-11蘭州理工大學14（3 3）截面含鋼率）截面含鋼率2021-11-11蘭州理工大學15（4 4）截面配筋率）截面配筋率2021-11-11蘭州理工大學16（5 5）荷載偏心率）荷載偏心率2021-11-11蘭州理工大學17（6 6）鋼骨屈服強度）鋼骨屈服強度2021-11-11蘭州理工大學18（7 7）鋼筋屈服強度）鋼筋屈服強度2021-11-11蘭州理工大學19（8 8）混凝土強度）混凝土強度2021-11-11蘭州理工大學20（9 9）截面高寬比）截面高寬比2021-11-11蘭

9、州理工大學21結論：結論：火災作用下鋼骨屈服強度、鋼筋屈服強度、混凝土強度、截面火災作用下鋼骨屈服強度、鋼筋屈服強度、混凝土強度、截面含鋼率、截面配筋率、荷載偏心率和截面高寬比等參數對型鋼含鋼率、截面配筋率、荷載偏心率和截面高寬比等參數對型鋼混凝土壓彎構件承載力影響系數的影響較?。欢孛嬷荛L、構混凝土壓彎構件承載力影響系數的影響較?。欢孛嬷荛L、構件長細比和受火時間則是影響火災下型鋼混凝土壓彎構件承載件長細比和受火時間則是影響火災下型鋼混凝土壓彎構件承載力的主要因素力的主要因素。1.1.2 1.1.2 耐火極限實用計算方法耐火極限實用計算方法如前所述，火災作用對型鋼混凝土構件的承載力有較大的影

10、響。如前所述，火災作用對型鋼混凝土構件的承載力有較大的影響。在對大量數值計算結果整理分析的基礎上，可回歸出在對大量數值計算結果整理分析的基礎上，可回歸出C C， 和和t t為為參數的標準火災作用下型鋼混凝土柱承載力影響系數參數的標準火災作用下型鋼混凝土柱承載力影響系數KtKt的簡化的簡化計算公式。計算公式。 2021-11-11蘭州理工大學22型鋼混凝土柱承載力影響系數簡化計算結果與數值計算結果的型鋼混凝土柱承載力影響系數簡化計算結果與數值計算結果的比較，參數：比較，參數：2021-11-11蘭州理工大學23根據根據型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程JGJ138-2001JG

11、J138-2001或或鋼骨混鋼骨混凝土結構設計規(guī)程凝土結構設計規(guī)程YB9082-97YB9082-97計算出型鋼混凝土壓彎構件的承計算出型鋼混凝土壓彎構件的承載力后，將其乘以系數載力后，將其乘以系數KtKt值，即可獲得壓彎構件在標準火災作值，即可獲得壓彎構件在標準火災作用下的承載力：用下的承載力：簡化公式適用于不同受火時間作用下構件承載力的計算。在實簡化公式適用于不同受火時間作用下構件承載力的計算。在實際工程設計中，對應構件的設計荷載，利用簡化公式，可以得際工程設計中，對應構件的設計荷載，利用簡化公式，可以得出在某一特定時刻出在某一特定時刻t t，構件火災下的承載力與設計荷載相等時對，構件火災

12、下的承載力與設計荷載相等時對應的火災作用下的耐火極限。應的火災作用下的耐火極限。為使型鋼混凝土柱滿足耐火極限要求，應限制其火災荷載比為使型鋼混凝土柱滿足耐火極限要求，應限制其火災荷載比n n（即火災時作用在柱上的荷載與其常溫極限承載力的比值），（即火災時作用在柱上的荷載與其常溫極限承載力的比值），且火災荷載比限值不應超過火災下荷載影響系數且火災荷載比限值不應超過火災下荷載影響系數KtKt。由承載力。由承載力2021-11-11蘭州理工大學24 影響系數簡化公式可得到對應一定火災荷載比下的耐火極限簡化影響系數簡化公式可得到對應一定火災荷載比下的耐火極限簡化計算公式：計算公式： 2 2 鋼管混凝土

13、鋼管混凝土2.1 2.1 概述概述目前工程中最常見的鋼管混凝土柱橫截面形式主要是圓形、方形和目前工程中最常見的鋼管混凝土柱橫截面形式主要是圓形、方形和矩形。矩形。2021-11-11蘭州理工大學252.2 2.2 設計原理設計原理2.2.1 2.2.1 耐火極限和防火保護層耐火極限和防火保護層在火災有效荷載作用下，影響鋼管混凝土柱耐火極限的因素包括：在火災有效荷載作用下，影響鋼管混凝土柱耐火極限的因素包括：截面周長、長細比、防火保護層厚度、截面含鋼率、荷載偏心率、截面周長、長細比、防火保護層厚度、截面含鋼率、荷載偏心率、鋼材屈服強度和混凝土強度等。（以矩形鋼管混凝土為例）鋼材屈服強度和混凝土強

14、度等。（以矩形鋼管混凝土為例）（1 1）截面周長）截面周長（2 2）長細比）長細比2021-11-11蘭州理工大學26（3 3）防火保護層厚度）防火保護層厚度影響火災下裸鋼管混凝土柱承載力的可能因素主要有：鋼材屈服影響火災下裸鋼管混凝土柱承載力的可能因素主要有：鋼材屈服強度、混凝土強度、含鋼率、構件截面尺寸、構件長細比、荷載強度、混凝土強度、含鋼率、構件截面尺寸、構件長細比、荷載偏心率和受火時間，對于矩形混凝土還有截面高寬比等。大規(guī)模偏心率和受火時間，對于矩形混凝土還有截面高寬比等。大規(guī)模參數分析的結果表明，上述各參數中，參數分析的結果表明，上述各參數中，構件截面尺寸、構件長細構件截面尺寸、構

15、件長細2021-11-11蘭州理工大學27比比和和受火時間受火時間的影響最為顯著，而其他因素的影響不大。的影響最為顯著，而其他因素的影響不大。類似型鋼混凝土，定義火災下鋼管混凝土柱承載力的影響系數類似型鋼混凝土，定義火災下鋼管混凝土柱承載力的影響系數KtKt。下面以矩形鋼管混凝土為例，說明影響下面以矩形鋼管混凝土為例，說明影響KtKt的因素。的因素。 （1 1）截面周長）截面周長 算例條件：算例條件：2021-11-11蘭州理工大學28(2)(2)構件長細比構件長細比算例條件：算例條件：2021-11-11蘭州理工大學29 對于鋼管混凝土柱的防火保護，常采用現(xiàn)場施工防火保護層的方法，對于鋼管混

16、凝土柱的防火保護，常采用現(xiàn)場施工防火保護層的方法，常用的防火保護材料有水泥砂漿和厚涂型鋼結構防火涂料。常用的防火保護材料有水泥砂漿和厚涂型鋼結構防火涂料。 影響鋼管混凝土柱防火保護層厚度的主要參數包括：火災荷載比、耐影響鋼管混凝土柱防火保護層厚度的主要參數包括：火災荷載比、耐火極限、截面尺寸和長細比。火極限、截面尺寸和長細比。 下面以矩形鋼管混凝土柱為例說明各參數對其防火保護層厚度的影響下面以矩形鋼管混凝土柱為例說明各參數對其防火保護層厚度的影響規(guī)律。算例條件：規(guī)律。算例條件：2021-11-11蘭州理工大學30（1 1）水泥砂漿保護層）水泥砂漿保護層2021-11-11蘭州理工大學31（2

17、2）厚涂型鋼結構防火涂料保護層）厚涂型鋼結構防火涂料保護層2021-11-11蘭州理工大學322.2.2 2.2.2 火災后的剩余承載力火災后的剩余承載力考慮火災作用（火災曲線按國際標準升溫考慮火災作用（火災曲線按國際標準升溫ISO-834ISO-834的有關規(guī)定確定）的有關規(guī)定確定）和不考慮火災作用時鋼管混凝土壓彎構件典型的和不考慮火災作用時鋼管混凝土壓彎構件典型的 關系曲線：關系曲線：影響火災后鋼管混凝土壓彎構件剩余承載力的可能因素有：鋼材影響火災后鋼管混凝土壓彎構件剩余承載力的可能因素有：鋼材和混凝土的強度、構件截面尺寸、構件長細比、荷載偏心率、受和混凝土的強度、構件截面尺寸、構件長細比

18、、荷載偏心率、受2021-11-11蘭州理工大學33火時間和防火保護層厚度等，對于矩形鋼管混凝土，還有截面高火時間和防火保護層厚度等，對于矩形鋼管混凝土，還有截面高寬比。寬比。為便于分析，定義火災作用對鋼管混凝土構件承載力影響系數為便于分析，定義火災作用對鋼管混凝土構件承載力影響系數KrKr：（1 1）構件截面尺寸）構件截面尺寸 算例條件：算例條件：2021-11-11蘭州理工大學34（2 2）長細比）長細比 （3 3）防火保護層厚度）防火保護層厚度2021-11-11蘭州理工大學35 火災作用對鋼管混凝土構件的剛度也有影響。為便于分析，定義火災作用對鋼管混凝土構件的剛度也有影響。為便于分析，

19、定義火災后鋼管混凝土抗彎剛度影響系數為火災后鋼管混凝土抗彎剛度影響系數為K KB B：影響影響K KB B的主要因素是：火災持續(xù)時間、鋼管混凝土構件的截面尺的主要因素是：火災持續(xù)時間、鋼管混凝土構件的截面尺寸和含鋼率。寸和含鋼率。 （1 1）截面尺寸）截面尺寸 算例條件：算例條件：2021-11-11蘭州理工大學36（2 2）含鋼率）含鋼率2021-11-11蘭州理工大學372.3 2.3 耐火極限實用計算方法耐火極限實用計算方法如前所述，構件截面尺寸、構件長細比和受火時間是影響鋼管混凝如前所述，構件截面尺寸、構件長細比和受火時間是影響鋼管混凝土柱火災下承載力影響系數土柱火災下承載力影響系數K

20、tKt的最主要因素，因此，在大規(guī)模參的最主要因素，因此，在大規(guī)模參數分析結果的基礎上，以這三個參數為基本量，通過回歸分析的方數分析結果的基礎上，以這三個參數為基本量，通過回歸分析的方法可推導出法可推導出KtKt的數學表達式。的數學表達式。2.4 2.4 防火保護層厚度計算防火保護層厚度計算鋼管混凝土柱防火應根據設計要求對其鋼管采用噴涂防火涂料或其鋼管混凝土柱防火應根據設計要求對其鋼管采用噴涂防火涂料或其他有效外包覆防火措施，其耐火等級及耐火極限應滿足國家有關規(guī)他有效外包覆防火措施，其耐火等級及耐火極限應滿足國家有關規(guī)范的要求。范的要求。當保護層為厚防火涂料性能應符合中國工程建設標準化協(xié)會標準當

21、保護層為厚防火涂料性能應符合中國工程建設標準化協(xié)會標準鋼結構防火涂型鋼結構防火涂料時，涂料應用技術規(guī)范鋼結構防火涂型鋼結構防火涂料時，涂料應用技術規(guī)范CECS24CECS24：9090和國家標準和國家標準鋼結構防火涂料鋼結構防火涂料GB149072002GB149072002的有關的有關規(guī)定。規(guī)定。2021-11-11蘭州理工大學38基于數值計算結果，提出按規(guī)范基于數值計算結果，提出按規(guī)范ISO-834ISO-834或或GB/T 9978-1999GB/T 9978-1999規(guī)定的規(guī)定的標準升溫曲線升溫作用下鋼管混凝土柱防火保護層厚度的實用計標準升溫曲線升溫作用下鋼管混凝土柱防火保護層厚度的實

22、用計算方法，計算結果與數值計算和實驗數據均基本吻合。算方法，計算結果與數值計算和實驗數據均基本吻合。2.5 2.5 火災后剩余承載力計算火災后剩余承載力計算如前所述，影響火災后裸鋼管混凝土柱承載力影響系數如前所述，影響火災后裸鋼管混凝土柱承載力影響系數KrKr的因素的因素主要是：受火時間、截面尺寸（截面周長、長細比）。在大規(guī)模主要是：受火時間、截面尺寸（截面周長、長細比）。在大規(guī)模參數分析結果的基礎上，以這三個參數為基本變量，通過回歸分參數分析結果的基礎上，以這三個參數為基本變量，通過回歸分析的方法推導出析的方法推導出KrKr的表達式。的表達式。2.6 2.6 防火構造措施防火構造措施根據抗火

23、設計，當鋼管混凝土柱需要防火保護時，可采用水泥砂根據抗火設計，當鋼管混凝土柱需要防火保護時，可采用水泥砂漿、防火涂料、防火板、柔性氈等措施。下面例舉幾種鋼柱的防漿、防火涂料、防火板、柔性氈等措施。下面例舉幾種鋼柱的防火保護構造措?；鸨Ｗo構造措。1. 1.防火板保護（鋼柱用鋼龍骨固定的防火板構造）防火板保護（鋼柱用鋼龍骨固定的防火板構造）2021-11-11蘭州理工大學392021-11-11蘭州理工大學402021-11-11蘭州理工大學412. 2.復合防火保護復合防火保護2021-11-11蘭州理工大學422021-11-11蘭州理工大學432021-11-11蘭州理工大學443. 3.柔

24、性氈狀隔熱材料防火保護柔性氈狀隔熱材料防火保護2021-11-11蘭州理工大學452.7 2.7 鋼管混凝土柱截面溫度場的計算鋼管混凝土柱截面溫度場的計算由由Lie(1994)Lie(1994)、LieLie和和Chabot(1990)Chabot(1990)給出：給出：1 1 鋼材的熱膨脹系數鋼材的熱膨脹系數2 2 鋼材的導熱系數鋼材的導熱系數3 3 鋼材的比熱和容重鋼材的比熱和容重一般取一般取 s=7850kg/s=7850kg/)/(9002 .28900048022. 0cmWCTCTCTks )/(100010)12004. 0(1000101666cmmCTTCTS )/(8001

25、055.480072510)35.73086.0(72565010)3 .38068.0(650010)3 .3004.0(36666CmJCTCTCTCTCTCTCTcss 3m2021-11-11蘭州理工大學464 4 混凝土的熱膨脹系數（普通混凝土，鈣質）混凝土的熱膨脹系數（普通混凝土，鈣質）5 5 混凝土的導熱系數（普通混凝土，鈣質）混凝土的導熱系數（普通混凝土，鈣質）6 6 混凝土的比熱和容重（普通混凝土，鈣質）混凝土的比熱和容重（普通混凝土，鈣質）)/(10)6008.0(6cmmTc)/(2937162. 1001241. 02930355. 1CmWCTTCTCc )/(785

26、10566. 278571510)07343.17622103. 0(71563510)90225.10016635. 0(63550010)44881. 501603. 0(50044510566. 244541010)00671.2505043. 0(41040010)034.6801765. 0(400010566. 2366666666cmJCTCTCTCTCTCTCTCTCCTCTCTCTCTCccc 2021-11-11蘭州理工大學473. 3. 中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能中空夾層鋼管混凝土較實心混凝土柱具有相對更好的耐火性能，中空夾層鋼管混凝土較實心混凝土柱具有相對更好的耐火性能，這是由于內鋼管受到混凝土的保護，可延緩其溫度上升，因而在這是由于內鋼管受到混凝土的保護，可延緩其溫度上升，因而在受火過程中可承擔更大的重分布內力。受火過程中可承擔更大的重分布內力。下圖為實驗后圓形柱和方形柱的整體破壞形態(tài)以及內部混凝土和下圖為實驗后圓形柱和方形柱的整體破壞形態(tài)以及內部混凝土和內鋼管的情況。由圖可見，對于圓套圓中空夾層鋼管混凝土柱，內鋼管的情況。由圖可見，對于圓套圓中空夾層鋼管混凝土柱，達到耐火極限時柱中部會發(fā)生外鋼管局部鼓曲的現(xiàn)象，而內部混達到耐火極限時柱中部會發(fā)生外鋼管局部鼓曲的現(xiàn)象，而內部混凝