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新材料、新结构是推动土木工程发展的源动力。进入二十一世纪以来，我国建筑产业发展迅猛，高层、超高层建筑如雨后春笋般涌现，而传统的混凝土结构和钢结构难以满足现代建筑结构复杂的功能需求，钢与混凝土组合结构迎来了发展的春天。随着我国“一带一路”、国家海洋战略的不断推进，建筑行业迎来了新的发展机遇，而不锈钢作为一种新型建筑材料，凭借自身良好的耐腐蚀性和耐久性、全寿命周期成本低、环境适应性强等优势，受到越来越多建筑师和工程师的青睐。近些年，我国城镇化建设不断推进，城市人口密度逐年增加，导致建筑火灾频发，严重危害建筑结构的安全性能，给社会和人民的财产安全造成了巨大损失，因此，工程结构抗火性能研究已迫在眉睫。与普通结构钢-混凝土组合梁相比，不锈钢-混凝土组合梁抗火性能研究几乎处于空白，国内外现行规范中尚无不锈钢-混凝土组合梁的相关抗火设计条文，已成为不锈钢-混凝土组合梁应用与发展的卡脖子问题。基于上述背景，本文对两端简支的矩形截面不锈钢-混凝土组合梁抗火性能开展了试验研究和数值模拟，揭示了其在火灾作用下的行为反应和破坏模式，并在大量参数化分析基础上，提出了适合不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的计算理论。
基于常温和高温下材料力学性能试验结果，对 4 根矩形截面不锈钢-混凝土组合梁抗火性能开展试验研究。试验考察了荷载比 n 对不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的影响，揭示了火灾作用下不锈钢-混凝土组合梁的受力性能和破坏机理；通过抗火性能试验获取了组合梁各试件的炉温-时间曲线、不锈钢梁表面和混凝土板温度-时间曲线、跨中竖向位移-时间曲线、临界温度、试验后试件残余变形、破坏形式等。试验结果表明：（1）荷载比n是影响不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的重要参数，随着荷载比n的增大，试件的耐火时间和临界温度明显降低；（2）火灾下不锈钢-混凝土组合梁试件均呈现弯剪破坏形态，整个试验过程中不锈钢梁未发生平面外失稳和局部失稳现象，试验结束后所有试件均发生了较大的回弹变形。
采用有限元软件 ABAQUS，首先建立了准确的圆柱头栓钉抗剪件有限元分析模型，对圆柱头栓钉抗剪性能开展模拟分析；并采用已有高温下普通结构钢圆柱头栓钉推出试验结果和常温下不锈钢圆柱头栓钉推出试验结果对此模型准确性进行验证。其次，采用已验证的圆柱头栓钉抗剪模型，建立高温下不锈钢圆柱头栓钉有限元分析模型，并对高温下栓钉抗剪性能开展分析，获取了高温下不锈钢圆柱头栓钉的荷载-滑移曲线。最后，基于上述研究成果，建立不锈钢-混凝土组合梁试验试件的有限元分析模型，对4根试验试件的抗火性能进行数值模拟分析，并将数值模拟结果与试验结果进行对比，验证了有限元分析模型的准确性。
采用已验证的有限元分析模型，对矩形截面不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的多个影响因素（边界条件、荷载类型、荷载比 n、混凝土板厚 hc、板翼缘宽度 bc、钢筋直径d、钢梁翼缘厚度tf、钢梁腹板厚度tw、钢梁高度hs、钢梁宽度bs、跨度L、抗剪连接程度 η、不锈钢材料冷加工效应）开展参数化分析。分析结果表明：（1）荷载比 n是影响不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的关键外在因素，混凝土板厚 hc、跨度 L是影响不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的关键内在因素；荷载比 n越小、跨度 L越小或混凝土板厚 hc越大，火灾下不锈钢-混凝土组合梁的临界温度越高。（2）边界条件对不锈钢-混凝土组合梁抗火性能有较为显著的影响，对试件端部施加约束（尤其是轴向约束）能够提高组合梁的抗火性能。（3）荷载类型和不锈钢材料冷加工效应对火灾下不锈钢-混凝土组合梁受力性能有一定影响；在截面最大弯矩相同条件下，单点加载的组合梁抗火性能最优；在荷载比 n 相同条件下，不锈钢材料冷加工效应降低组合梁的抗火性能。（4）混凝土板翼缘宽度bc、不锈钢梁的翼缘厚度tf、腹板厚度tw、高度hs影响火灾下不锈钢-混凝土组合梁受力性能的程度有限；钢筋直径 d、抗剪连接程度 η、不锈钢梁宽度 bs对火灾下不锈钢-混凝土组合梁受力性能影响较小。在此基础上，对荷载比n、混凝土板厚 hc、跨度 L三个关键因素进行两两耦合分析，分析结果表明：荷载比 n与混凝土板厚 hc、跨度 L对不锈钢-混凝土组合梁抗火性能影响存在耦合作用。最后，采用上述数值模拟分析方法，分别对相同条件下两端简支的矩形截面普通碳素钢-混凝土组合梁和矩形截面纯不锈钢梁建立了抗火性能分析模型，开展数值模拟分析，并将两者结果与不锈钢-混凝土组合梁的数值模拟结果对比；对比结果表明：在荷载比 n 相同条件下，不锈钢-混凝土组合梁的抗火性能优于不锈钢梁，且随着荷载比 n 增大，两者临界温度差值逐步增大；当荷载比较小时（n<0.7），两种组合梁的抗火性能较为接近，当荷载比较大时（n≥0.7），不锈钢-混凝土组合梁的抗火性能不如普通碳素钢-混凝土组合梁。
基于我国《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）和《欧洲规范》（EN 1994-1-2），通过构件传热分析与数值模拟，本文首先提出了适用于不锈钢梁和混凝土板的升温简化计算公式。其次，基于已有高温下普通碳素钢-混凝土组合梁的极限承载力计算方法，开展参数化分析和数值拟合，获得了高温下不锈钢-混凝土组合梁极限承载力公式。在此基础上，考虑温度附加弯矩对组合梁抗火性能的影响，最终提出了适用于高温下不锈钢-混凝土组合梁临界温度的计算公式，并将计算公式结果与数值模拟分析结果和火灾试验结果进行了对比分析，验证了临界温度计算方法的准确性，为不锈钢-混凝土组合结构的后续研究提供重要参考。
基于常温和高温下材料力学性能试验结果，对 4 根矩形截面不锈钢-混凝土组合梁抗火性能开展试验研究。试验考察了荷载比 n 对不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的影响，揭示了火灾作用下不锈钢-混凝土组合梁的受力性能和破坏机理；通过抗火性能试验获取了组合梁各试件的炉温-时间曲线、不锈钢梁表面和混凝土板温度-时间曲线、跨中竖向位移-时间曲线、临界温度、试验后试件残余变形、破坏形式等。试验结果表明：（1）荷载比n是影响不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的重要参数，随着荷载比n的增大，试件的耐火时间和临界温度明显降低；（2）火灾下不锈钢-混凝土组合梁试件均呈现弯剪破坏形态，整个试验过程中不锈钢梁未发生平面外失稳和局部失稳现象，试验结束后所有试件均发生了较大的回弹变形。
采用有限元软件 ABAQUS，首先建立了准确的圆柱头栓钉抗剪件有限元分析模型，对圆柱头栓钉抗剪性能开展模拟分析；并采用已有高温下普通结构钢圆柱头栓钉推出试验结果和常温下不锈钢圆柱头栓钉推出试验结果对此模型准确性进行验证。其次，采用已验证的圆柱头栓钉抗剪模型，建立高温下不锈钢圆柱头栓钉有限元分析模型，并对高温下栓钉抗剪性能开展分析，获取了高温下不锈钢圆柱头栓钉的荷载-滑移曲线。最后，基于上述研究成果，建立不锈钢-混凝土组合梁试验试件的有限元分析模型，对4根试验试件的抗火性能进行数值模拟分析，并将数值模拟结果与试验结果进行对比，验证了有限元分析模型的准确性。
采用已验证的有限元分析模型，对矩形截面不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的多个影响因素（边界条件、荷载类型、荷载比 n、混凝土板厚 hc、板翼缘宽度 bc、钢筋直径d、钢梁翼缘厚度tf、钢梁腹板厚度tw、钢梁高度hs、钢梁宽度bs、跨度L、抗剪连接程度 η、不锈钢材料冷加工效应）开展参数化分析。分析结果表明：（1）荷载比 n是影响不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的关键外在因素，混凝土板厚 hc、跨度 L是影响不锈钢-混凝土组合梁抗火性能的关键内在因素；荷载比 n越小、跨度 L越小或混凝土板厚 hc越大，火灾下不锈钢-混凝土组合梁的临界温度越高。（2）边界条件对不锈钢-混凝土组合梁抗火性能有较为显著的影响，对试件端部施加约束（尤其是轴向约束）能够提高组合梁的抗火性能。（3）荷载类型和不锈钢材料冷加工效应对火灾下不锈钢-混凝土组合梁受力性能有一定影响；在截面最大弯矩相同条件下，单点加载的组合梁抗火性能最优；在荷载比 n 相同条件下，不锈钢材料冷加工效应降低组合梁的抗火性能。（4）混凝土板翼缘宽度bc、不锈钢梁的翼缘厚度tf、腹板厚度tw、高度hs影响火灾下不锈钢-混凝土组合梁受力性能的程度有限；钢筋直径 d、抗剪连接程度 η、不锈钢梁宽度 bs对火灾下不锈钢-混凝土组合梁受力性能影响较小。在此基础上，对荷载比n、混凝土板厚 hc、跨度 L三个关键因素进行两两耦合分析，分析结果表明：荷载比 n与混凝土板厚 hc、跨度 L对不锈钢-混凝土组合梁抗火性能影响存在耦合作用。最后，采用上述数值模拟分析方法，分别对相同条件下两端简支的矩形截面普通碳素钢-混凝土组合梁和矩形截面纯不锈钢梁建立了抗火性能分析模型，开展数值模拟分析，并将两者结果与不锈钢-混凝土组合梁的数值模拟结果对比；对比结果表明：在荷载比 n 相同条件下，不锈钢-混凝土组合梁的抗火性能优于不锈钢梁，且随着荷载比 n 增大，两者临界温度差值逐步增大；当荷载比较小时（n<0.7），两种组合梁的抗火性能较为接近，当荷载比较大时（n≥0.7），不锈钢-混凝土组合梁的抗火性能不如普通碳素钢-混凝土组合梁。
基于我国《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）和《欧洲规范》（EN 1994-1-2），通过构件传热分析与数值模拟，本文首先提出了适用于不锈钢梁和混凝土板的升温简化计算公式。其次，基于已有高温下普通碳素钢-混凝土组合梁的极限承载力计算方法，开展参数化分析和数值拟合，获得了高温下不锈钢-混凝土组合梁极限承载力公式。在此基础上，考虑温度附加弯矩对组合梁抗火性能的影响，最终提出了适用于高温下不锈钢-混凝土组合梁临界温度的计算公式，并将计算公式结果与数值模拟分析结果和火灾试验结果进行了对比分析，验证了临界温度计算方法的准确性，为不锈钢-混凝土组合结构的后续研究提供重要参考。