第 1 章 绪论
1.1 中空夹层钢管的特点与发展
用混凝土对钢管进行填充而形成的构件就是钢管混凝土，根据不同的截面形式，可以将钢管混凝土构件分成多边形钢管混凝土、圆、方形钢管混凝土和矩形钢管混凝土构件等多种类型。根据不同类型的作用，钢管混凝土构件在实际结构中还可以分成两种不同的类型：第一种类型指的是钢管混凝土中的混凝土与钢管在初期一起受力；第二种类型，钢管仅仅对核心混凝土有约束力，这个作用对核心混凝土起作用，这就是我们常说的钢管约束混凝土柱。这篇文章主要研究方形钢管混凝土结构以及比较常见的圆钢管混凝土。在受力过程中，通过混凝土和钢管相互作用，钢管混凝土对此充分加以利用。也就是核心混凝土在钢管的约束之下，产生比较复杂的应力，其强度、韧性和塑性都得到了很大的提升。此外，因为混凝土能够使钢管扭曲得以延迟，使材料的性能得到了充分的发挥。另外，在对钢管混凝土进行施工的时候，可以把钢管当做核心混凝土的模板，对比钢筋混凝土，模板可以节约很大一笔费用，施工速度也会加快。所以，通过混凝土和钢管组合成的钢管混凝土结构，不仅能够使两种材料的缺陷得到弥补，还能够有效地发挥各自的优势，这也是钢管混凝土组合结构的特色。英国的 Severn 铁路桥桥墩（1879 年）是对钢管混凝土工程使用的最早的记录，将混凝土填充在钢管内，可以增强钢管的承受力，还可以防止钢管锈蚀，后来，在多层和单层工业厂房的结构柱当中也使用了钢管混凝土。但是在开始，钢管混凝土的钢管对其核心混凝土的作用和对整个构件的承载力的提升并没有被纳入考虑范围。60 年代以后，开始深入研究钢管混凝土的力学性能，并对这个应用大力推广和使用。在使用初期，热轧管是钢管混凝土中采用的大多数钢管，一般来说，壁厚很大，当时也并没有解决钢管内混凝土的浇注工艺，所以没有产生很明显的经济效果，钢管混凝土没有得到有效的推广和应用。上个世纪八十年代，因为出现了泵送混凝土技术，很多的技术人员和国家开始关注钢管混凝土结构，国外很多的学者在最近几十年以来对钢管混凝土的长期荷载作用、静力性能、动力性能、抗火设计方法和耐火极限等影响因素进行了有效的分析和广泛的实验，研究了薄壁钢管混凝土的工作性能、高强混凝土和钢材构件的力学性能和设计方法，中空夹层钢管混凝土构件是在钢管混凝土构件基础上发展而来的，中空夹层钢管混凝土构件继承了钢管混凝土构件一切优秀的品质，且由于钢管混凝土构件，且随着中国城镇化的脚步逐渐加快，农村人口逐渐向城市中流入，城市人口密度越来越大，因此城市用地也越来越紧张。
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1.2 课题研究背景
火灾和地震影响建筑物安全的两大主要因素。由于中国城镇化脚步加快，我国人口在城市中的密度在逐渐上升，高密度人口意味着人均用电用火密度与频率会逐渐增加，2007-2017 年全国共发生高层建筑火灾 3.1 万起，死亡 474 人，直接财产损失 15.6 亿元。由于我国建筑用地逐渐紧张，我国建筑物逐渐向高层方向发展，高层建筑物发生火灾概率逐渐增加。且高层建筑一旦发生火灾，扑救困难，造成财神损失和人员伤亡较大。且过火后的建筑物的承载能力和抗震能力等性能发生了变化，所以对于高层建筑物火灾后建筑物的承载能力剩余承载能力计算就尤为重要。图 1.3 所示是 2017 年 6 月 14 日凌晨，在英国的首都伦敦北肯辛顿区的一座 24 层公寓大楼（格伦费尔公寓）发生巨大的火灾，由于火势的蔓延较快，导致现场救援不及时致使楼中 80 人死亡，这场事故一时间震惊国内外。后来警察对事故现场的起火原因进行分析发现，火势是由 2 至 4 层产生的，并在短时间内趁着火势迅速蔓延到整栋建筑，一时间造成了数十人死亡的悲剧发生。伦敦消防局于 0 时 54 分接到报警，先后调集 45 辆消防车和 200 余名消防员到场扑救，11时 30 分明火被扑灭，扑灭时间将近 11 个小时。图 1.4 为 2011 年 2 月 3 日午夜沈阳皇朝万鑫国际大厦发生大火，由于当时起火楼层较高，现场营救的消防人员携带的消防工具只能够触及到 10 层左右的高度，越往上火势越大却有无法进行及时的扑灭，在下午 2 点 30 分左右整栋大楼都被全部烧毁，仅仅只剩下一个建筑主体框架，与此同时大火还向周围两栋大楼进行蔓延，此次事故未造成人员伤亡，造成重大经济损失。有以上情况可以看出，火灾对人类社会的危害性是非常强的，其不仅会对人类的生命造成威胁，而且对经济和财产也会造成损害。根据有关数据统计，火灾发生后所损失的资产可以占到国民经济总值比例的千分之二及以上，由于火灾往往伴随着人口的伤亡，其所造成的人口伤亡数量也会占到国家总死亡人口数量的 0.002%的比例。虽然火灾所造成的直接经济损失可以进行数据的度量，但是实际上火灾还会造成一定的间接性的经济损失，而且为了扑灭火灾所用的灭火费用也占很大一部分国民经济的比例，一些间接的经济损失虽然不能明显地进行计算，可是其总的影响不可忽视，算上火灾所造成的间接性经济损失，其占到国民经济的比值可以上升为百分之一。
第 2 章 火灾后中空夹层钢管混凝土压弯柱有限元建立
2.1 既有相关试验介绍
本文收集了任攀[51]制作的 18 根中空夹层钢管混凝土压弯柱低周反复加载试验的相关资料，以便进行有限元的相关数据的设计和有限元试验，使得对恢复力模型的数据进行全面的收集。基于其试验数据进行相应的模拟分析与计算。
（1）试件制作参数
任攀试验参数为轴压比 0-0.6，空心率 0.-0.72，受火时间 0-180min，混凝土强度 40Mpa 和 70Mpa。内钢管和外钢管均是由 Q345 钢板焊接而成，混凝土的 C40和 C70 的强度为 46MPa 和 73.9MPa，弹性模量 37.2cE ?GPa ，泊松比为 0.204。钢材屈服强度为抗拉强度为 fu=504MPa，平均屈服强度为 fy=358.5MPa，泊松比为μs=0.274，在浇筑成构件时，在内外钢管和混凝土中间安装热电偶来检测温度的升高，详细参数见表 2.1。
（2）试件破坏模态
试件截面类型分为圆套圆和方套圆两种，其中这两种构件受火后无明显变化，加载后破坏现象为，内钢管在构件中间部位向内凹陷，外钢管在构件中间部位向外屈曲，构件中间部位混凝土被压碎。构件呈现灯笼状鼓曲，符合典型的破坏模态。详细破坏模态见图 2.1。
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2.2 有限元模型建立
本文依照任攀文中试验中构件的参数，并选取合理的本构，建立数值模拟模型，施加边界条件，选取有合理的限元单元，施加单调荷载和往复荷载，最终建立火灾后中空夹层钢管混凝土模型。
2.2.1 材料本构性能
本模拟模型为火灾后构件受往复荷载的模型，因此模型本构参数分为两部分，第一部分为构件热能参数的本构模型，还有一部分为构件受力的本构模型。
2.2.1.1 材料热能本构参数
国内外学者对混凝土和钢材的热工参数做了详尽的研究，本文主要参考清华韩林海老师在参考文献[52]中提出来的热工参数，并在其他学者建议的基础上进行修改。
钢材的热工参数主要包括比热 cs 和容重ρs 和导热系数 ks，按照韩林海老师的书中要求，钢材的导热系数随着温度升高逐渐减小，当温度达到 900℃后，钢材的导热系数基本不随温度变化而变化；具体如式（2.1）和（2.2）。
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3.1 火灾后中空夹层钢管混凝土滞回构件有限元分析..........................31
3.1.1 温度场分析..................................31
3.1.2 受力场分析................................33
第 4 章 火灾后中空夹层钢管混凝土恢复力模型研究...........................45
4.1 耗能能力....................................45
4.2 延性分析..................................48
4.3 刚度退化....................................49
第 5 章 结论与展望.................................57
5.1 结论.............................57
5.2 展望...................................58
第 4 章 火灾后中空夹层钢管混凝土恢复力模型研究
4.1 耗能能力
如果构件受到反复荷载力施加荷载作用力时，因为外部力量的作用，构件直接吸收能量，在卸载的过程中，通过塑性铰转动以及裂开的形式，能量作为热能而耗散。通常情况下，对构件吸收的能量，我们可以运用滞回环所覆盖的面积来描述，也就是我们所说的耗能，构件的抗震性能会受到耗能的直接作用和影响，CFDST 的耗能强弱受荷载-位移图形饱满程度的影响，荷载-位移图形的面积大，CFDST 耗能就很强，其抗震能力就很强，受到地震的破坏影响很小。
方套圆和圆套圆的构件耗能曲线图在图 4.4 中有所表示。我们能够看出如果构件被 60min 火烧之后，相比于没有经过火灾作用的构件，其耗能能力会差很多，受火 60min 之后的圆形小空心率构件的耗能是 1，而常温的构件耗能是 6.5，受火60min 之后的圆形大空心率构件的耗能是 2.8，而常温的构件耗能是 6.2，空心率构件在常温之下，耗能不会受到很大的影响，C40 混凝土大空心率构件和 C70 大空心率构件在受 60min 火烧之后的耗能分别是 4 和 2.8，而 C40 混凝土小空心率构件和 C70 小空心率构件分别是 2.8 和 1.2，经过分析和对比，我们能够看出空心率小的构件耗能要比空心率大的构件耗能低很多，此外，我们还能看出这些构件在受火 60min 之后，C70 混凝土 CFDST 如果和 C40 CFDST 其余的参数一样，那么其耐能会低于 C40 。和方形构件和圆形构件基本类似，通过对比三倍屈服位移，相比于没有经过火灾作用的构件，其耗能能力会差很多，受火 120min 之后的方形小空心率构件的耗能是 1，受火 60min 之后的方形小空心率构件的耗能是 2，常温的构件耗能是 7.9。受火 120min 之后的方形大空心率构件的耗能是 1.2，受火 60min之后的方形大空心率构件的耗能是 3.8，常温的构件耗能是 6.5。在温度正常的时候，空心率小的构件往往要比空心率大的构件耗能要大，在火灾之后，空心率小的 CFDST 能耗是 2 和 1，而空心率大的 CFDST 能耗分别是 4.0 和 1.4，经过分析，我们可以看出如果 CFDST 是小空心率，那么它的耗能要弱于空心率大的 CFDST。如果方形构件和圆形构件参数相同，那么方形构件的耗能要比圆形构件要低，经过火灾折后，这种趋势更加显著。
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第 5 章 结论与展望
5.1 结论
本论文通过对既有的试验总结，然后建立有限元模型并进行了详尽的分析后，得到以下成果成果：
（1）完成了对已经存在的 CFDST 火灾抗震实验的收集，采用有限元软件（ABAQUS）模拟温度场，对比实验结果，可以得到如下结论：不管是降温还是升温，火烧炉内的温度都会比混凝土截面的温度发展要快很多，而且峰值点还会提前，这种规律在靠近内钢管处更为明显；温度的发展受空心率和构件的形状影响很大，构件截面温度会根据混凝土的含量而发生改变，含量多，温度发展就会慢，如果受火的时间一样，方形构件就会更加安全；火烧的时间和空心率越小，混凝土截面的温差也会减少。
（2）按照本课题组试验参数建立了火灾后中空夹层钢管混凝土压弯模拟的试验，发现构件在实验研究的参数范围里，从整体来看，滞回曲线非常饱满，足以看出，它有很好的抗震性能。滞回曲线受混凝土和空心率等级的影响并不是很大，而受压轴比以及受火时间的影响却很大。我们对滞回骨架曲线进行分析，构件空心率、受火时间和轴压比和承载力息息相关。从总体来看，轴向变形突变不大，增长相对稳定，但是轴向变形受混凝土等级和轴压比的影响非常大。如果混凝土有很高的强度等级，构件就会很早出现明显的增大，方形构件的现象比圆形构件更加明显。构件的轴向变形受空心率和受火时间的影响并不是非常明显。从整体来看，在起始阶段，构件的刚度下降非常快，当位移到了△y 的三倍之后，刚度就会出现平稳的退化幅度，在经受过一定时间的火灾和轴压之后，构件刚度就会出现更加明显的下降。因此，方形构件如果没有经受过火灾，空心率大、轴压比较小的构件就会表现出更好的滞回耗能能力，可能发生破坏的概率很低。
参考文献（略）