钢-混凝土组合结构抗火设计原理

作者简介

《钢-混凝土组合结构抗火设计原理》论述了第一作者领导的课题组在钢一混凝土组合结构抗火设计原理方面进行的研究工作和取得的成果，具体内容包括：组合构件，如型钢混凝土、中空夹层钢管混凝土、不锈钢管混凝土和FRP（Fiber ReinforccdPolymer）约束钢管混凝土等的耐火性能；火灾后钢管混凝土构件的力学性能和修复加固方法；钢一混凝土组合框架梁一柱连接节点的耐火性能；火灾后钢一混凝土组合框架梁一柱连接节点的力学性能；钢一混凝土组合平面框架结构的耐火性能。

书籍目录

前言

主要符号表

第1章 绪论

11 概述

12 组合结构抗火设计原理研究现状

121 组合结构构件

122 梁柱连接节点

123 框架结构

13 本书的目的和内容

参考文献

第2章 型钢混凝土构件的耐火性能

21 引言

22 数值计算模型

221 纤维模型法

222 有限元法

23 型钢混凝土柱耐火性能试验研究

231 试验概况

232 试验结果及分析

24 耐火性能分析

241 破坏形态

242 应力、应变分布规律

243 滑移影响分析

25 承载力影响因素分析和实用计算方法

251 火灾下承载力影响因素分析

252 火灾下承载力实用计算方法

253 耐火极限实用计算方法

26 型钢混凝土构件火灾后力学性能评估

261 评估方法

262 工程案例

27 本章小结

参考文献

第3章 新型组合柱的耐火性能

31 引言

32 中空夹层钢管混凝土柱

321 短柱耐火性能试验

322 长柱耐火性能试验

323 有限元计算模型

324 小结

33 不锈钢管混凝土柱

331 试验概况

332 试验结果及分析

333 小结

34 FRP约束钢管混凝土和钢筋混凝土柱

341 试验概况

342 试验结果及分析

343 小结

35 钢管混凝土柱的抗火设计方法

351 防火保护措施

352 抗火设计方法

353 计算例题

36 本章小结

参考文献

第4章 火灾后钢管混凝土柱的修复加固方法

41 引言

42 加固后钢管混凝土柱的静力性能

421 “增大截面法”

422 “FRP包裹法”

43 加固后钢管混凝土柱的滞回性能

431 “增大截面法”

432 “FRP包裹法”

44 火灾后钢管混凝土柱修复加固措施

45 本章小结

参考文献

第5章 组合框架梁柱连接节点的耐火性能

51 引言

52 节点有限元分析模型和试验验证

521 节点计算模型

522 有限元分析模型

523 节点耐火性能试验

53 火灾下节点工作机理分析

531 型钢混凝土柱型钢混凝土梁节点

532 钢管混凝土柱钢筋混凝土梁节点

54 节点耐火极限影响因素分析

55 本章小结

参考文献

第6章 火灾后组合框架梁柱连接节点的力学性能

61 引言

62 有限元分析模型

621 材料热力学模型

622 力学分析模型

63 火灾后节点试验研究

631 试验概况

632 试验结果及分析

64 荷载变形升温时间关系分析

641 分析模型

642 温度受火时间关系

643 力学性能分析

65 弯矩转角关系影响因素分析和实用计算方法

651 影响因素分析

652 剩余刚度系数实用计算方法

653 剩余承载力系数实用计算方法

66 本章小结

参考文献

第7章 火灾后钢管混凝土柱钢梁连接节点的滞回性能

71 引言

72 试验研究

721 试验概况

722 试验结果及分析

723 节点抗震性能分析

73 数值计算模型

731 模型建立

732 模型验证

733 水平荷载水平变形滞回关系计算

74 相对水平荷载–层间位移角关系分析

741 相对水平荷载层间位移角关系确定

742 影响因素分析

75 实用计算方法

751 节点框架柱计算长度系数

752 节点承载力实用计算方法

753 水平荷载水平变形滞回关系模型

754 火灾后组合节点修复方法讨论

76 本章小结

参考文献

第8章 平面组合框架的耐火性能

81 引言

82 有限元分析模型

821 温度场计算

822 力学性能分析

83 耐火性能试验研究

831 试验概况

832 试验结果及分析

84 火灾下框架工作机理研究

841 梁柱变形特征

842 构件内力

843 应力分析

844 应变分析

85 框架耐火极限影响因素分析

86 本章小结

参考文献

第9章 组合结构抗火设计原理研究展望

91 若干关键问题探讨

92 结语

参考文献

内容概要

林海，男，1967 年10 月出生。  清华大学韩林海教授。现任清华大学土木水利学院土木工程系系主任、教授、博士生导师。 中国力学学会结构工程专业委员会，主任委员 为首批‘国家百千万人才工程’第一、二层次人选（1996 年），建设部‘有突出贡献的中青年专家’（1997 年），国务院特贴专家（1997 年）。曾获霍英东教育基金（1996 年）和霍英东教育基金会高校青年教师奖（2004 年）。2004 年获国家杰出青年科学基金资助，2005 年入选清华大学“百人计划”，2008 年获第十届“茅以升北京青年科技奖”。    众所周知，火灾会严重威胁人们的生命财产安全，同时也会产生不良的社会影响，并对环境造成污染。在可能发生的火灾中，建筑火灾的发生最为频繁。火灾之所以对建筑结构产生危害，实际上是由建筑结构的功能属性决定的。火灾发生具有随机性，面对火灾，人类需掌握其灾变机理，深入研究建筑结构的抗火设计原理，进行科学的抗火设计，从而使建筑结构具备要求的“抗火”性能。

组合结构（Composite Structures）是目前在建筑结构中应用较广泛且发展较快的一种结构形式，是由两种或两种以上结构材料组合而成的结构。作者有幸在我国土木工程建设事业快速发展时期进行了一些组合结构方面的研究工作。关于钢管混凝土构件方面的研究成果在《钢管混凝土结构》（科学出版社，2000年初版；2004年第一版；2007年第二版）中进行了论述；有关一些新型组合结构构件、组合结构节点和平面框架、混合剪力墙结构、混合结构体系等方面的研究成果则在《现代组合结构和混合结构》（2009年，科学出版社）中进行了阐述。本书主要论述作者在钢混凝土组合结构抗火设计原理方面取得的研究结果。

建筑结构抗火设计的总体目标可概括为最大限度地减少人员伤亡、降低财产的直接和间接损失、减轻对环境的污染和影响。以往，人们已在建筑结构抗火设计原理方面取得了不少成果，积累了不少工程实践经验，但对钢混凝土组合结构抗火设计原理方面仍有不少问题需要继续深入研究，有关设计规程也需要制订、补充或完善。

钢混凝土组合结构抗火设计原理的研究包括其耐火性能、抗火设计方法和防火保护措施等方面，其中耐火性能研究是确定抗火设计方法的前提，而如何根据工程结构的特点，“因地制宜”地采用适当的防火保护措施是最大限度地实现建筑投入经济性与结构性能有效性统一的保证，是保证实现结构抗火设计目标的基础。

掌握基本构件的耐火性能是进行组合结构体系抗火性能研究的基础。本书第2章论述了型钢混凝土构件的耐火性能和抗火设计方法；第3章论述了中空夹层钢管混凝土、不锈钢管混凝土、FRP约束钢管混凝土和钢筋混凝土构件的耐火性能；第4章中论述了火灾后钢管混凝土构件修复加固方面的研究成果。

实际建筑结构多为超静定结构，因此火灾作用下单个构件的破坏并不等同于整个建筑结构的破坏。例如，在局部火灾下，即使某一构件达到耐火极限，往往也不会因为单根构件的失效而导致整体结构破坏；但节点的破坏却使得整体建筑可能从结构转变为机构，从而失去整体稳定性而倒塌。在对火灾下结构体系的力学分析中，合理地模拟节点的工作机理往往是难点，也是关键点。本书第5章论述了型钢混凝土柱型钢混凝土梁、钢管混凝土柱钢筋混凝土梁连接节点的耐火性能；第6章论述了考虑升、降温影响时钢管混凝土柱组合梁、型钢混凝土柱型钢混凝土梁连接节点火灾后的力学性能；第7章则介绍了火灾后钢管混凝土柱钢梁连接节点的滞回性能。

研究火灾下单层、单跨框架的力学性能是进行多层、多跨框架以及空间框架结构体系耐火性能和性能化抗火设计的基础。本书第8章论述了钢管混凝土柱钢筋混凝土梁平面框架结构耐火性能的研究结果。

本书第9章对钢混凝土组合结构抗火设计原理研究的一些关键问题进行了探讨和展望。

本书的研究工作先后得到国家杰出青年科学基金项目（项目编号：50425823）、国家自然科学基金重点项目（项目编号：50738005）、国家重大基础研究计划（“973”计划）项目（项目编号：2012CB719703）、国家科技支撑计划子课题（项目编号：2006BAJ06B06，2006BAJ03A0311，2008BAJ08B01407和2012BAJ07B014）、高等学校博士学科点专项科研基金课题（项目编号：20090002110043）、公安部应用创新计划项目（项目编号：2007YYCXTXS155）、清华大学“百名人才引进计划”资助课题、清华大学自主科研计划课题（攻坚专项，课题号：2011THZ03）等的资助，特此致谢！

本书第一作者的博士后和研究生们对本书所论述内容做出了重要贡献，如王卫华、谭清华和郑永乾进行了型钢混凝土构件耐火性能的研究（第2章）；卢辉、廖飞宇、陶忠、杨有福、陈峰等进行了组合柱耐火性能的研究（第3章）；陶忠、林晓康和陈峰进行了钢管混凝土火灾后性能的研究（第4章）；郑永乾、王卫华和谭清华进行了组合框架梁柱节点耐火性能的研究（第5章）；霍静思和江莹等进行了火灾后框架梁柱节点力学性能的研究（第6章和第7章），王卫华和王广勇进行了组合框架结构耐火性能的研究（第8章和第9章）等。作者在此谨向他（她）们致以诚挚的谢意！

作者感谢公安部天津消防科学研究所、国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心，亚热带建筑科学国家重点实验室，澳大利亚Monash大学土木工程系结构实验中心等单位为进行与本书内容有关的火灾试验所给予的支持和帮助！

组合结构学科所包含的内容广泛，其抗火设计原理研究的内容非常丰富。本书仅结合作者所熟悉的领域和取得的阶段性研究结果进行论述，内容远非全面和系统。开展本书有关研究工作的目的：一则期望能解决一些具体的组合结构抗火设计原理研究方面的问题；二则期望能为有关领域研究工作的进一步深入开展提供参考。随着课题组研究工作的不断深入，作者期望能对本书内容进行充实和完善。

由于作者学识水平所限，书中难免存在不妥之处，作者怀着感激的心情期待读者给予批评指正！

2012年5月1日于清华园

章节摘录

　　已往对混凝土高温徐变模型的研究相对较少，一般是基于对试验数据回归得到简化计算公式。Harmathy（1993）给出了与σc、t和T相关的混凝土高温徐变模型。过镇海和时旭东（2003）通过对试验数据回归，得到了混凝土的高温徐变模型。研究者在对高温下混凝土的材料性能进行试验研究时发现：混凝土的高温徐变值要远大于其常温徐变值，在2～3h内发生的徐变值超过常温下数十年的徐变值，但其试验的测量值与εcσ印或εctr相比，绝对值约小一个数量级（南建林，等，1997）。Bratina等（2007）、Kodur和Dwaikat（2008）采用Harmathy（1993）的高温徐变模型研究了钢筋混凝土梁的耐火性能，发现混凝土高温徐变在混凝土总应变中所占的比例较小，是否考虑混凝土高温徐变只对钢筋混凝土梁的位移一时间关系曲线影响不大。本书2.2.1节中采用纤维模型法的分析结果也表明，混凝土高温徐变对型钢混凝土柱的荷载一位移曲线和影响较小，对型钢混凝土梁的挠度一时间关系和耐火极限总体影响不大。过镇海和时旭东（2003）通过试验研究发现，在首次升温过程中，混凝土的瞬态热应随温度的升高而加速增长，其值约与应力水平成正比；在降温过程中其值变化很小，约保持最高温度时的最大瞬态热应变值，因此瞬态热应变在升温时产生，在降温时不可恢复。Bratina等（2007）、Kodur和Dwaikat（2008）、Sadaoui和Khennane（2009）、Sadaoui等（2007）、Yin等（2006）在对钢筋混凝土梁、柱、框架和钢管混凝土柱的耐火性能进行分析时均采用了Anderberg和了helanderson（1976）提出的单轴状态下混凝土的瞬态热应变模型。过镇海和时旭东（2003）通过对应力水平（σ／fc）为0～0.6、升温速度为2～5℃C／min的试验数据进行回归分析，获得单轴状态下混凝土瞬态热应变计算公式。Thelandersson（1987）在Anderberg和ThelanderssOn（1976）单轴应力状态下混凝土瞬态热应变模型的基础上，通过理论推导将模型扩展到多轴状态，Khennane和Baker（1992）、Heinfling等（1997）和Nechnech等（2002）将该模型应用到混凝土的高温弹塑性模型中。

图书封面

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