方钢管混凝土组合异形柱承载性能及高层工程应用

• 作 者: 雷志勇
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 方钢管混凝土组合异形柱 截面温度场 火后承载力 单轴偏压试验 框架-剪力墙体系

方钢管混凝土组合异形柱(SCFST柱)是通过一定的构造措施将多肢单柱拼接而成的新型结构柱,其结合了钢管混凝土和异形柱的优点,且已成功应用于实际工程中,取得了较大的经济效益。然而关于其耐火性能和火后承载力、两端铰接下单轴大偏压的力学性能以及在框架-剪力墙体系的应用研究相对较少。针对该柱的承载能力和高层应用,本文首先详细介绍了四种不同钢管混凝土柱的研究现状,为本文异形柱的火后承载力和单轴偏压力学性能的设计和研究提供理论依据。此外,介绍了钢结构的常用防火措施和异形柱的实际工程应用,为后续的耐火试验模拟和框架-剪力墙体系的研究提供了背景。针对足尺L形SCFST柱的三小时耐火试验,选取合适的材料热工性能,通过有限元方法模拟其温度场。在验证数值计算结果与试验结果一致的基础上,进一步研究了ALC板的厚度、截面含钢率、ALC板导热率和受火时间等四个因素对柱子截面温度场的影响。采用静力轴压试验,研究了足尺L形SCFST柱的火后力学性能,通过分析发现柱子的细部构造和材料性能并未受到火灾的太大影响,竖向承载力基本没有损失。此外,采用有限元方法模拟了柱子尚未经受火灾影响下的轴压性能,以及参考三种理论算法计算了柱子的极限承载力,通过对比发现这两种方法计算异形柱极限承载力的可行性。本文还研究了四根缩尺L形SCFST柱的静力单轴偏压试验,通过观察正反方向不同偏心距下柱子的破坏模态、承载能力和挠曲变形,发现随着偏心距的加大,异形柱的初始刚度在逐渐减小,极限承载力降低,延性增强,屈服位移变大。此外,对比正向和反向偏压来看,反向偏压的初始刚度和极限承载力大于正向偏压,而且反向偏压柱呈现整体弯扭的现象,柱底挠度较大。关于SCFST柱在框架-剪力墙体系中的应用,针对沧州福康家园4号楼项目,采用Midas建模分析了结构在风荷载、多遇地震和罕遇地震下的响应,计算结果满足规范要求。进一步表明了该结构体系继承异形柱结构建筑效果良好的优点,适合工业化批量生产,且结构整体刚度大,抗震性能好,在高层钢结构住宅领域具有广阔前景。