钢管混凝土柱—钢梁节点抗火性能研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
在人类社会发展的过程中，火起了至关重要的作用。然而当其不在处于受控范围之时，它将对人们的生命以及财产产生无法预计的后果。森林火灾、农业火灾、工业火灾以及建筑火灾共同构成了火灾的大致类型，而建筑火灾发生的频率是最高的，占据了绝大部分。随着建筑物不断的普及大跨度、高层化、重型化，建筑火灾的诱导因素也随之增多，从而造成的损失及生命财产安全问题也日益凸显。混凝土和钢材在高温的影响下改变相关的物理性能以及其力学性能，之后会降低和破坏结构的构成，影响结构的安全性能和使用。在人们的现实生活里，由于火而引发的灾难遍地即是。比如说针对医疗事件，某医院因电器短路问题，造成了医疗器材和办公设备等全部烧毁，整栋楼房报废，造成巨额的经济损失；某地百盛商业大楼发生特大事故，导致69人受伤，128人死亡，造成的直接经济损失高达730万。这一件件血的教训，无不给我们上了一次次沉痛的教育课，时时刻刻牢记安全第一，预防为主。我们可以清楚的看到，火灾对人们的生命、财产安全构成了严重威胁，导致严重后果。在火灾发生的同时，还伴随着一系列的化学反应，产生相应的化学物质，并且这些物质大部分有毒有害，给人身造成一定的伤害；同时对环境造成严重的污染。针对上述情况而言，关于建筑的防火、抗火、耐火等性能机理的研究有着极其重要的意义。钢材与混凝土这两种材料的优良特性在钢管混凝土结构得到了很大程度的使用，也在现代结构工程中充分发挥它们各自的巨大作用。作为两种较常用的组合结构形式，钢管混凝土结构和型钢混凝土结构在近几年得到了广泛的应用，特别是在大跨、高层和超高层建筑结构中。钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土，钢管和核心混凝土能够一起承受外部载荷的一种组合结构形式。按照它们的截面形状的不同，钢管混凝土又可以分为圆形、方、矩形和多边形等。
钢管混凝土梁柱节点能够在梁柱之间传递弯矩、剪力、轴力等内力，并对内部弯矩、剪力等内力进行分配，同时能使得结构具有良好的整体性。由此可知，节点在整个结构的受力过程中处于关键位置。在钢管混凝土组合结构中，按照组成框架梁的材料不同其又能够分成钢管混凝土柱-钢梁节点和钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点两大类型。钢管混凝土柱-钢梁节点凭借其自身的优点被广泛应用到国内外多高层建筑结构中。国内外一些专家也对此类节点做了相应的研宄，韩林海和杨有福钟善桐和陶忠比较系统的阐述了此类节点的性能。本文选取外加强环式钢管混凝土柱-钢梁节点在火灾下的力学性能进行研究分析。根据节点具体的施工操作方法可知：在节点梁柱相交的位置燒接上下加强环板，并将其用对接燥缝或者强度较高的螺栓与钢梁的上、下翼缘相连接。该类型节点的具体传递路径为：作用于梁上的弯矩通过上下两环进行依次传递，最终把弯矩值传递给钢管混凝土柱子；梁端产生的剪力则是通过与钢梁腹板相连的垂直助板进行传递。与其他类型节点相比，外加强环式节点在实际的施工操作过程中比较方便，不仅传力路劲清晰，并且可靠，节点区域内分布也比较均匆。除了这些特点之外，该类型的节点还持有较大的刚度、非常强的承载力与良好的塑性性能。但该类节点由于其较大尺寸的外加强环板也在施工过程中也存在着弊端，特别是在有些使用钢管混凝土材料的住宅中，钢管混凝土柱子的直径不大，可是由于该节点上的环板尺寸很大，常给结构施工造成不便。
二、研究目的和意义
目前来看，钢管混凝土在结构工程领域已经得到了广泛的应用，尤其在进入21世纪后建筑物高度更高、规模更大以及用途的更广泛性。但火灾事故不断出现，给人们的生命财产安全带来巨大的损失。然而，在火灾危害性增加，组合结构应用日益广泛的，而相关抗火设计和研究较少的情况下，有必要对组合结构火灾下和火灾后的工作性能进行研宄。因此，本论文选取火灾下钢管混凝土柱-钢梁节点为研究对象，主要分析其在火灾下的抗火性能，并研究对其耐火极限的影因素。同时也希望能够为结构在受火后的修复加固等方面的研究提出参考依据。
三、本文研究涉及的主要理论
杨有福和韩林海主要对钢管混凝土柱-梁加强环式节点抗震机理进行了分析与研究。从实验的结果可以发现，该类型的节点对于抗震性具有很好的研究价值，同时提出了针对加强环式节点，应该注意的有关抗震设计的要点。张大旭和张素梅主要研究了圆钢管混凝土节点的动力性能，柱子轴压比采用0.4-0.68之间对节点进行循环加载，得到节点滞回曲线。宗周红等进行了常温情况下节点对抗剪能力的分析，着重分析节点的抗剪能力是否与梁中的纵筋穿过钢管与否有关。从实验结果中可以发现，该参数存在与否对于节点的抗剪能力影响极其的微弱，可以忽略不计，从而对于实验的考虑因素可以简化。韩小雷采用单调加载的方式对穿心暗牛腿管混凝土柱节点进行了试验研究，在试验中主要分析了节点的承载能力与环梁和穿心牛腿有无等因素是否有关。从实验得到的数据可以整理发现，环梁这一因素的存在对存承载能力的大小影响不大，极其微弱。王文达等对对节点进行了恒定轴力作用下水平往复试验，主要分析了轴压比和环板宽度等参数对节点承载力的影响。杜培源等利用非非线性静力学方法对分别对组合结构柱子和节点进行了滞回曲线分析。分析表明：对于刚度和延性，外隔板节点能够很好地满足这一要求，并且图形显示节点滞回环尤其饱满，消耗能量比较强。通过这一实验可以清晰的看到，梁柱节点可以很好的进行辉接在一起。陶忠等在试验中选取钢梁节点进行火灾下的力学性能研究了，分析了能够对承载力产生影响的因素。霍静思和韩林海在2005年提出了节点在火灾后的计算简化模型，并提出对火灾后节点进彳于修复的承载力计算方法。首先让一系列钢管混凝土节点进行受火，然后在节点加恒定的轴力和往复水平位移，得到节点的滞回曲线。将火灾后节点的承载能力和常温下进行对比，发现火灾后节点承载力大大低于常温下节点的承载力。毛小勇等对使用数值方法对钢与混凝土组合板的温度场耐火时间的计算。结果分析显示：结构中的耐火时间和板厚、材料强度等因素有关系。王卫华和陶忠(2009)对钢管混凝土框架结构进行了一系列的抗火分析，并将试验结果与理论分析进行对比，找出其中偏差，并分析偏差的因素。试验结果显示，在火灾发生阶段，梁截面上，距离和温度平台的关系，大致呈现反比关系，实验结果与有限元的分析相当吻合，并且十分的接近、逼真。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
(1)通过查阅相关建筑结构抗火试验和理论分析基础上，确定钢管混凝土柱一钢梁节点组成材料的材料特性。并利用有限元软件ABAQUS做了常温下节点的力学性能分析，为后续火灾下节点的力学性能做了基础；
(2)通过查阅相关文献，合理的选取本文中钢材与混凝土的热工性能参数，同时，正确地处理了单元划分及界面接触的问题。于此基础上釆用标准升温曲线ISO-834对钢管混凝土柱-钢梁节点的进行火灾场景模拟，得到火灾下节点的温度场模型。分析研究了节点截面温度在不同受火时刻下的变化规律。并将所得结果与己有的试验进行对比；同时，对填充混凝土，保护层，构件几何尺寸等因素对节点升温的影响，了解该类结构的温度场变化规律；
(3)确定了本文中高温下材料的各种属性、热边界条件、单元类型及网格划分等问题，然后对节点釆用标准升温曲线IS0834进行恒载升温，即进行热力親合，获得火灾下钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能有限元分析模型，进而可以求得到节点的耐火极限和临界温度；
(4)同时对火灾下节点做了一些参数分析，分析了含钢率《、轴压比、核心区钢管厚度、混凝土强度和环板宽度等各参数对节点耐火极限及破坏形态的影响。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 3-4
Abstract 4
第1章 绪论 7-11
1.1 课题的提出 7-9
1.2 钢管混凝土-钢梁节点的研究现状 9-10
1.3 课题研究的意义及内容 10-11
第2章 钢管混凝土柱-钢梁节点温度场的数值模拟方法 11-30
2.1 概述 11
2.2 高温下钢管混凝土节点传热机理 11-14
2.3 高温下的材料参数的确定 14-20
2.4 钢管混凝土构件温度场模拟的试验验证 20-23
2.5 钢管混凝土柱-钢梁节点温度场分析 23-29
2.5.1 温度场模型中的界面处理 23
2.5.2 温度场模型中单元类型的选取与划分 23-29
2.6 本章小结 29-30
第3章 火灾下钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能分析 30-55
3.1 概述 30
3.2 常温下节点承载力验证分析 30-32
3.3 常温下节点核心区破坏分析 32-34
3.4 高温下材料力学参数的选取 34-40
3.4.1 高温下钢材强度的选取 34-36
3.4.2 高温下钢材弹性模量和泊松比的选取 36
3.4.3 高温下钢材应力-应变关系模型的选取 36-37
3.4.4 高温下核心混凝土强度的选取 37-39
3.4.5 高温下核心混凝土弹性模量的选取 39
3.4.6 高温下核心混凝土应力-应变模型的选取 39-40
3.5 火灾下ABAQUS力学模型的建立 40-43
3.5.1 模型的边界条件及加载方式的确定 40-41
3.5.2 单元选取及网格划分 41-42
3.5.3 界面模型的处理 42-43
3.5.4 确定在ABAQUS中的求解方法 43
3.6 试验结果的模拟 43-45
3.7 钢管混凝土柱-钢梁节点耐火极限分析 45-54
3.8 本章小结 54-55
第4章 不同参数对节点抗火性能的影响分析 55-66
4.1 概述 55
4.2 荷载比对节点抗火性能的影响分析 55-56
4.3 含钢率(α)对节点抗火性能的影响分析 56-58
4.4 轴压比(n)对节点抗火性能的影响分析 58-60
4.5 核心区钢管厚度(t)对节点抗火性能的影响分析 60-62
4.6 混凝土强度(f_(cu))对节点抗火性能的影响分析 62-64
4.7 环板宽度(d)对节点抗火性能的影响分析 64-65
4.8 梁截面高度对节点抗火性能的影响分析 65-66
第5章 结论与展望 66-68
5.1 结论 66-67
5.2 展望 67-68
参考文献 68-70
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 70-71
致谢 71
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
[1]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践(第二版).北京：科学出版社，2007.
[2]杨有福，韩林海.矩形钢管混凝土构件抗弯力学性能的试验研宄.地震工程与工程振动，2001, 21(3): 41-48.
[3]韩林海，游经团，杨有福，陶忠.往复荷载作用下矩形钢管混凝土构件力学性能研宄.土木工程学报，2004，37(11)： 11-22.
[4]张大旭，张素梅.钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研宄.哈尔滨建筑大学学报，2001，34(4): 1-6.
[5]史艳莉，陈宇超，王文达.矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究.铁道建筑，2010, 3:109-111.
[6]韩小雷，王永仪，季静，陈庆军.穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点的试验研究.工业建筑，2002, 32(7).
[7]王文达，韩林海，游经团.方钢管混凝土柱-钢梁外加强环板节点滞回性能试验研宄.土木工程学报，2006，39(9): 17-25.
[8]黄炳生，杜培源等.方钢管混凝土柱-钢梁外隔板式连接节点静力有限元分析.哈尔滨工业大学学报，2007，39 (8) :(1-4).
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