鋼-混凝土組合結構火災力學性能及工程應用

1.本書針對建筑結構中應用較多的鋼-混凝土組合結構，對鋼-混凝土組合結構高溫下的力學性能的試驗方法、理論分析方法及實用抗火設計方法進行了系統的描述。 2.可為建筑結構的抗火設計和耐火性能分析提供理論和實用方法，從而推動建筑結構抗火設計的理論水平和設計水平。

建筑火災是發生頻率很高的災害，建筑火災嚴重威脅著人員生命和財產的安全，同時也威脅著建筑結構的安全。2001 年9 月11 日，美國世界貿易中心雙子塔被飛機撞擊，引起大火導致整體建筑結構發生連續性倒塌，導致多人死亡，引起了人們對建筑結構耐火機理的重視。分析表明，高溫作用下，世界貿易中心鋼桁架樓板在高溫下軟化，失去對鋼柱的支撐作用，使得鋼柱承載能力驟降，進而引起整體結構的連續性倒塌破壞。2003 年11 月3 日，湖南省衡陽市商住樓衡州大廈的底層倉庫發生大火，導致結構整體坍塌，造成了20 名消防隊員犧牲。事后檢測和分析發現，衡州大廈建筑結構整體倒塌是底層鋼筋混凝土柱耐火能力不足導致的。2015 年1 月2 日，哈爾濱北方南勛陶瓷市場倉庫發生大火，造成3 棟居民樓整體倒塌，導致5 名消防隊員犧牲。該建筑底部為鋼筋混凝土框架結構，上部為砌體結構?；馂南陆ㄖY構的安全可以為人員疏散、消防滅火提供安全保障，也可為建筑本身及財產提供安全保障?；馂南陆ㄖY構安全是生命和財產安全的最后一道防線，一旦建筑結構倒塌，其余將無從談起，火災下建筑結構的安全至關重要。為此，需要采用科學合理的方法進行抗火設計，掌握建筑結構的耐火性能及抗火設計原理成為結構抗火設計的迫切需要。
此外，建筑結構遭遇火災后，需要對其火災后的靜力力學性能開展評估，為其火災后的修復和加固提供參考依據。處于抗震設防區的建筑結構，遭受火災后仍然面臨著抗震設計的需求，需要對其火災后的抗震性能進行評估。例如，2009 年2 月9 日發生的央視電視文化中心（TVCC） 大火造成了1 名消防隊員的犧牲和1.6 億元的直接經濟損失。盡管TVCC 沒有倒塌，但火災對建筑結構造成了嚴重的損傷。由于該建筑結構位于8 度抗震設防區，建筑結構面臨著火災后抗震性能評價和修復加固的難題。為此，需要對遭受火災的建筑結構進行抗震性能評估，這就需要火災后建筑結構的抗震性能計算模型及評估方法。
鋼管混凝土結構和型鋼混凝土結構是兩種典型且廣泛應用的鋼- 混凝土組合結構。由于具有較好的抗震性能、延性和承載能力，鋼- 混凝土組合結構廣泛應用于高層或超高層建筑結構。高層建筑增加了消防滅火和人員疏散的困難，國家對其耐火能力提出了較高要求，以進一步提高高層建筑中的鋼-混凝土組合結構的耐火能力。鋼-混凝土組合結構由型鋼和鋼筋混凝土、鋼管和混凝土組成，存在鋼-混凝土之間復雜的界面特性和型鋼對混凝土的約束作用等機理，其傳熱機制和耐火機理復雜，需要對其開展深入研究。此外，火災作用下，整體結構各組成部分之間存在熱膨脹導致的溫度內力和材料高溫劣化導致的性能下降相互耦合作用，整體結構的力學性能更加復雜。對于高層建筑結構，重力荷載的二階效應和水平風荷載都會對整體結構的耐火性能產生較大影響。因此，從整體結構的角度考察鋼- 混凝土組合結構的耐火性能更合理。
本書介紹了鋼- 混凝土組合結構耐火性能計算模型和抗火設計方法，從整體結構的角度探討了鋼- 混凝土組合結構的耐火性能及破壞形態，揭示了火災下整體結構的工作機理，建立了考慮結構整體作用的抗火設計方法和實用方法。本書還介紹了火災后鋼- 混凝土組合結構的靜力力學性能評估方法和抗震性能計算模型及評估方法。
眾所周知，結構工程是一門試驗性很強的學科，本書介紹了大量的結構耐火性能試驗、結構火災后性能試驗和火災后抗震性能的試驗成果，而且這些試驗多數為整體框架結構的試驗。試驗研究不僅為本書理論研究內容奠定了堅實的實踐基礎，也為讀者提供了生動的直觀感受和第一手研究資料。作者進行理論研究的同時，積極將理論研究成果應用于工程實踐，并及時發現工程實踐中的新問題，進一步研究其工作機理，及時提出理論方法，最終形成了理論和工程實踐相互促進的良好循環。本書成果已應用于北京中國尊巨型鋼管混凝土柱的抗火設計、央視電視文化中心建筑結構的火災后性能評估及修復加固，以及寧波地鐵和廈門地鐵車輛段的鋼筋及型鋼混凝土框架結構的抗火設計等多項結構抗火設計和火災后性能評估實際工程中。本書也詳細介紹了理論成果的應用情況。
在研究過程中，博士生鄭蟬蟬參與了端部約束型鋼混凝土柱耐火性能的試驗研究和理論研究工作，博士生張超參與了型鋼混凝土框架結構火災后力學性能的試驗和理論研究工作。研究生謝福娣、劉維華、蘇恒、方淳錕、崔興晨、李政從事了部分試驗研究工作。在作者進行央視電視文化中心建筑結構火災后性能評估和修復加固工作中，得到了中國建筑科學院李引擎、清華大學韓林海老師及課題組的大力支持。在結構抗火設計方法推廣工作中得到中交建筑集團徐峰等人的大力支持。在此，一并表示誠摯的感謝。本書相關研究內容得到了國家自然科學基金（項目編號：51778595、51278477）、山東省自然科學基金（項目編號：ZR2023ME126）、北京市自然科學基金（項目編號：8172052）、中交建筑集團有限公司項目“大型綜合交通樞紐關鍵建造技術創新與應用”和煙臺大學博士啟動基金（項目編號：TM20B73）等科技項目的資助和支持，特此致謝。最后，感謝煙臺大學對本書出版的資助。
由于作者水平和視野所限，書中難免存在不足和疏漏之處，真誠希望讀者提出批評和建議。

著者
2023 年7 月

鋼管混凝土結構和型鋼混凝土結構是兩種典型的、應用廣泛的鋼-混凝土組合結構。鋼-混凝土組合結構多用于高層建筑結構，高層建筑結構面臨著較高的火災危險性，鋼-混凝土組合結構的耐火性能、抗火設計和火災后性能評估方法是結構抗火和火災后性能評估領域的關鍵問題。本書主要內容包括：鋼管混凝土框架結構耐火性能及抗火設計方法、型鋼混凝土框架結構耐火性能試驗研究及精細計算模型、型鋼混凝土框架結構抗火設計原理、火災后型鋼混凝土結構力學性能評估方法、火災后型鋼混凝土結構抗震性能評估方法。最后，還包括工程應用。
本書可供從事土木工程結構、防災減災、工程防火領域的研究與設計人員以及高等院校土木建筑類專業的師生參考。

第1章 鋼管混凝土柱-鋼梁框架的耐火性能 001
1.1 圓鋼管混凝土柱- 鋼梁框架的耐火性能 001
1.1.1 引言 001
1.1.2 火災下鋼管混凝土平面框架結構有限元計算模型的建立 001
1.1.2.1 典型框架的確定 001
1.1.2.2 材料熱工參數和熱力學模型  003
1.1.2.3 有限元模型概述 004
1.1.2.4 有限元模型的驗證 004
1.1.3 框架溫度場 007
1.1.4 火災下鋼管混凝土框架結構耐火性能分析 007
1.1.4.1 局部破壞形態 008
1.1.4.2 整體破壞形態 010
1.1.5 結論 011
1.2 矩形鋼管混凝土柱- 鋼梁平面框架的耐火性能 012
1.2.1 引言 012
1.2.2 矩形鋼管混凝土框架結構耐火性能有限元計算模型 012
1.2.2.1 典型框架的確定 012
1.2.2.2 材料熱工參數和熱力學模型 013
1.2.2.3 有限元模型及其網格劃分 013
1.2.2.4 有限元模型的驗證 013
1.2.3 框架溫度場 014
1.2.4 框架結構耐火性能 014
1.2.4.1 破壞形態及破壞機理 014
1.2.4.2 框架結構耐火極限 016
1.2.5 結論 016

第2章 端部約束鋼管混凝土柱的耐火性能  018
2.1 端部約束鋼管混凝土柱的耐火性能參數分析 018
2.1.1 引言 018
2.1.2 火災下端部約束鋼管混凝土柱耐火性能有限元計算模型 019
2.1.2.1 端部約束鋼管混凝土柱耐火性能計算模型 019
2.1.2.2 材料熱工參數和熱力學模型 020
2.1.3 端部約束鋼管混凝土柱耐火性能的參數分析 020
2.1.3.1 軸向約束剛度的影響 020
2.1.3.2 轉動約束剛度的影響 024
2.1.3.3 軸向約束和轉動約束共同作用 026
2.1.4 結論 033
2.2 受框架約束鋼管混凝土柱的耐火性能參數分析 033
2.2.1 引言 033
2.2.2 火災下框架約束鋼管混凝土柱耐火性能有限元計算模型 033
2.2.2.1 典型框架的確定 033
2.2.2.2 有限元模型概述 035
2.2.3 材料熱工及高溫性能參數 035
2.2.4 框架梁柱截面溫度場 035
2.2.5 火災下框架整體的破壞形態 035
2.2.6 火災下鋼管混凝土柱的破壞形態 036
2.2.6.1 四面受火柱 036
2.2.6.2 三面受火柱 037
2.2.7 框架柱耐火極限參數分析 037
2.2.7.1 四面受火框架柱 038
2.2.7.2 三面受火框架柱 039
2.2.8 結論 039

第3章 鋼筋混凝土框架結構的耐火性能 041
3.1 軸向約束鋼筋混凝土T 形梁的耐火性能參數分析 041
3.1.1 引言 041
3.1.2 火災下鋼筋混凝土T 形梁的有限元計算模型  041
3.1.2.1 鋼筋混凝土T 形梁模型 041
3.1.2.2 材料熱工參數及高溫力學性能參數    042
3.1.2.3 有限元模型的建立 042
3.1.3 鋼筋混凝土T 形梁的耐火性能參數分析  044
3.1.3.1 軸向約束剛度比的選取 044
3.1.3.2 梁的破壞形式和耐火極限的參數分析 045
3.1.3.3 鋼筋和混凝土應力分布規律 046
3.1.4 結論 049
3.2 鋼筋混凝土框架結構耐火性能及抗火設計方法 049
3.2.1 引言 049
3.2.2 鋼筋混凝土框架結構耐火性能高效計算模型 049
3.2.2.1 典型框架的確定 049
3.2.2.2 火災場景設計 050
3.2.2.3 有限元模型概述 051
3.2.3 框架結構的破壞形態及耐火極限 051
3.2.3.1 框架結構耐火極限的定義 051
3.2.3.2 框架結構的破壞形態及耐火極限 051
3.2.4 框架的局部破壞形態 052
3.2.4.1 變形及內力 052
3.2.4.2 框架結構的耐火極限狀態 054
3.2.4.3 框架的耐火極限 055
3.2.5 框架結構的整體破壞形態 055
3.2.5.1 變形及內力 055
3.2.5.2 框架結構的耐火極限狀態 058
3.2.5.3 耐火極限 058
3.2.6 框架結構抗火設計方法 058
3.2.7 結論 059

第4章 型鋼混凝土結構耐火性能試驗研究及計算模型 060
4.1 受約束型鋼混凝土柱耐火性能試驗研究及計算模型 060
4.1.1 引言 060
4.1.2 型鋼混凝土約束柱耐火性能試驗研究 060
4.1.2.1 試驗設計及試驗裝置 060
4.1.2.2 試驗過程 064
4.1.2.3 試驗結果及分析 064
4.1.3 型鋼混凝土約束柱耐火性能分析 073
4.1.3.1 計算模型的建立 073
4.1.3.2 試驗溫度場分析 073
4.1.3.3 柱頂豎向位移-時間關系 074
4.1.3.4 柱頂轉角位移-時間關系 076
4.1.4 結論 077
4.2 型鋼混凝土框架結構耐火性能試驗研究及計算模型 078
4.2.1 引言 078
4.2.2 型鋼混凝土框架結構耐火性能試驗研究 079
4.2.2.1 試驗概況 079
4.2.2.2 框架的破壞形態 088
4.2.2.3 框架梁受剪破壞形態 088
4.2.2.4 框架梁柱破壞形態 095
4.2.2.5 框架柱破壞形態 099
4.2.2.6 框架梁耐火性能分析 114
4.2.2.7 柱破壞時框架耐火性能分析 115 
4.2.3 型鋼混凝土框架結構耐火性能有限元計算模型 116
4.2.3.1 溫度場計算模型 116
4.2.3.2 高溫下力學性能計算模型 119
4.2.3.3 型鋼混凝土框架結構耐火性能有限元計算模型的驗證 121
4.2.3.4 小結 129
4.2.4 結論 129

第5章 型鋼混凝土框架結構耐火性能分析 131
5.1 豎向荷載作用下型鋼混凝土框架結構的耐火性能 131
5.1.1 引言 131
5.1.2 有限元計算模型 131
5.1.2.1 典型框架的確定 131
5.1.2.2 有限元模型概述 133
5.1.2.3 有限元模型的驗證 134
5.1.3 框架的破壞形態及耐火極限 136
5.1.4 框架的局部破壞形態 138
5.1.4.1 變形及內力重分布 138
5.1.4.2 耐火極限 150
5.1.5 框架的整體破壞形態 150
5.1.5.1 變形及內力重分布 150
5.1.5.2 耐火極限 157
5.1.6 結論 157
5.2 水平荷載作用下型鋼混凝土框架結構的耐火性能 158
5.2.1 引言 158
5.2.2 有限元計算模型 159
5.2.2.1 典型框架的確定 159
5.2.2.2 火災場景設計 160
5.2.2.3 有限元模型 161
5.2.2.4 有限元模型的驗證 161
5.2.3 框架的破壞形態及耐火極限 161
5.2.4 框架整體傾覆破壞形態 163
5.2.4.1 變形及破壞形態 163
5.2.4.2 耐火極限 173
5.2.5 框架梁破壞形態 173
5.2.5.1 變形及破壞形態 173
5.2.5.2 耐火極限 176
5.2.6 框架頂層破壞形態 177
5.2.6.1 變形及破壞形態 177
5.2.6.2 耐火極限 179 
5.2.7 結論 180
5.3 火災降溫階段型鋼混凝土結構力學性能研究 180
5.3.1 引言 180
5.3.2 型鋼混凝土框架結構升降溫力學性能試驗 181
5.3.2.1 試驗概況 181
5.3.2.2 試驗結果及分析 181
5.3.3 型鋼混凝土柱升降溫力學性能試驗 184
5.3.4 理論分析 184
5.3.4.1 理論分析方法 184
5.3.4.2 型鋼混凝土柱 185
5.3.4.3 型鋼混凝土框架 186
5.3.5 結論 188

第6章 火災后型鋼混凝土結構的靜力力學性能 189
6.1 火災后型鋼混凝土柱力學性能試驗研究 189
6.1.1 引言 189
6.1.2 試驗方案 189
6.1.2.1 考慮火災作用全過程的火災后型鋼混凝土柱力學性能試驗方法 189
6.1.2.2 試件設計 190
6.1.2.3 試驗裝置 192
6.1.3 試驗結果 192
6.1.3.1 溫度場試驗結果 192
6.1.3.2 破壞形態 193
6.1.3.3 柱頂豎向位移 196
6.1.3.4 柱荷載-位移曲線 197
6.1.4 火災后承載能力的參數分析 198
6.1.4.1 受火時間的影響 199
6.1.4.2 含鋼率的影響 199
6.1.4.3 荷載比的影響    199
6.1.5 結論 200
6.2 考慮火災全過程的型鋼混凝土柱力學性能計算模型 200
6.2.1 引言 200
6.2.2 有限元模型的建立 201
6.2.2.1 溫度場計算模型 201
6.2.2.2 材料力學性能計算模型 202
6.2.3 溫度場計算結果與實測結果的對比 208
6.2.4 柱頂位移計算結果與實測結果的對比 209
6.2.5 火災后承載能力 211
6.2.6 結論 211
6.3 火災后型鋼混凝土偏心受壓柱偏心距增大系數計算方法 212
6.3.1 引言 212
6.3.2 試驗概況 213
6.3.3 火災后型鋼混凝土偏心受壓柱偏心距增大系數 213
6.3.4 偏心距增大系數η 的計算 214
6.3.4.1 基本假定 214
6.3.4.2 火災后SRC 柱極限曲率的計算 215
6.3.4.3 曲率修正系數k1、k2 216
6.3.5 試驗驗證 216
6.3.6 結論 217

第7章 火災后型鋼混凝土柱的抗震性能 218
7.1 火災后型鋼混凝土柱抗震性能試驗研究 218
7.1.1 引言 218
7.1.2 火災后型鋼混凝土柱抗震性能試驗 218
7.1.2.1 試件設計 218
7.1.2.2 溫度場試驗 220
7.1.2.3 試驗加載裝置及加載制度 221
7.1.3 試驗結果 222
7.1.3.1 溫度場分布 222
7.1.3.2 破壞形態 223
7.1.3.3 滯回曲線及骨架曲線 225
7.1.4 結論 226
7.2 火災后型鋼混凝土柱抗震性能有限元計算模型 227
7.2.1 引言 227
7.2.2 有限元計算模型 227
7.2.2.1 材料熱工參數及溫度場計算模型 227
7.2.2.2 火災后力學性能計算模型 227
7.2.3 溫度場計算結果與實測結果的對比 232
7.2.4 破壞形態計算結果與試驗結果的對比 234
7.2.5 滯回曲線計算結果與實測結果的對比 234
7.3 火災后型鋼混凝土柱恢復力計算模型 235
7.3.1 引言 235
7.3.2 試件概況 236
7.3.3 火災后型鋼混凝土柱的恢復力模型 236
7.3.3.1 骨架曲線 236
7.3.3.2 恢復力模型 244
7.3.3.3 試驗曲線與計算曲線的比較 245
7.3.4 結論 245 

第8章 火災后型鋼混凝土框架結構抗震性能 248
8.1 火災后SRC 柱-SRC 梁框架抗震性能試驗研究 248
8.1.1 引言 248
8.1.2 試驗概況 248
8.1.2.1 試件制作及模型的選取 248
8.1.2.2 試驗裝置和測試內容 251
8.1.3 試驗過程 253
8.1.4 框架升降溫試驗的結果及分析 254
8.1.4.1 試驗現象和破壞特征 254
8.1.4.2 溫度-時間關系曲線 257
8.1.4.3 位移-時間關系曲線 258
8.1.5 火災后抗震性能試驗結果及分析 260
8.1.5.1 試驗現象和破壞特征 260
8.1.5.2 火災后抗震性能試驗破壞形態 263
8.1.5.3 滯回曲線及骨架曲線 266
8.1.6 抗震性能的參數分析 267
8.1.6.1 滯回性能參數分析 267
8.1.6.2 剛度退化規律 270
8.1.6.3 阻尼系數 271
8.1.6.4 延性 271
8.1.7 結論 273
8.2 火災后SRC 柱-RC 梁框架結構抗震性能試驗研究 273
8.2.1 引言 273
8.2.2 試件設計 274
8.2.3 試驗裝置和測試內容 276
8.2.3.1 試驗裝置 276
8.2.3.2 量測內容 278
8.2.4 試驗過程 280
8.2.4.1 升降溫力學性能試驗 280
8.2.4.2 火災后框架抗震性能試驗 280
8.2.5 框架升降溫試驗的結果及分析 281
8.2.5.1 試驗現象和破壞特征 281
8.2.5.2 溫度-時間關系曲線 282
8.2.5.3 位移-時間關系曲線 283
8.2.6 火災后抗震性能試驗結果及分析 285
8.2.7 火災后抗震性能試驗破壞形態比較分析 292
8.2.8 滯回曲線及骨架曲線 293
8.2.9 抗震性能的參數分析 294 
8.2.9.1 滯回性能 294
8.2.9.2 剛度退化規律 295
8.2.9.3 延性 296
8.2.9.4 阻尼系數 297
8.2.10 結論 298
8.3 火災后型鋼混凝土框架結構抗震性能計算模型 298
8.3.1 引言 298
8.3.2 材料熱工參數及溫度場計算模型 298
8.3.3 材料本構關系 299
8.3.3.1 鋼材 299
8.3.3.2 混凝土 299
8.3.3.3 升溫、降溫及火災后各階段材料本構關系的轉變 300
8.3.4 混凝土與型鋼、鋼筋之間界面的黏結-滑移特性 300
8.3.4.1 型鋼與混凝土之間的黏結滑移特性 300
8.3.4.2 鋼筋與混凝土之間的黏結滑移特性 300
8.3.4.3 鋼筋-混凝土、型鋼-混凝土界面處理 300
8.3.5 有限元模型的網格劃分 301
8.3.6 溫度場計算結果與實測結果的對比 302
8.3.7 滯回曲線計算結果與實測結果的對比 303
8.3.7.1 破壞形態 303
8.3.7.2 滯回曲線 305
8.3.8 結論 307
8.4 基于梁柱單元的火災后框架結構力學性能分析方法 307
8.4.1 引言 307
8.4.2 分析方法簡介 308
8.4.2.1 全過程火災后建筑結構力學性能分析原理 308
8.4.2.2 分析過程 308
8.4.2.3 材料子程序（UMAT）編制方法 308
8.4.3 升溫、降溫及火災后各階段混凝土的應力-應變關系 309
8.4.3.1 升溫階段 309
8.4.3.2 降溫階段 310
8.4.3.3 火災后階段 310
8.4.4 升溫、降溫及火災后階段鋼材的應力-應變關系 311
8.4.4.1 應力-應變關系 311
8.4.4.2 鋼材的強化模型 312
8.4.5 混凝土塑性增量本構關系 312
8.4.5.1 屈服函數及增量本構關系 312
8.4.5.2 混凝土應力-塑性應變關系及塑性模量 314
8.4.5.3 升溫階段溫度變化前后應力應變狀態的轉變 316
8.4.5.4 強化模型 317 
8.4.6 分析方法的驗證 317
8.4.6.1 鋼筋混凝土框架耐火性能試驗 317
8.4.6.2 火災升降溫及火災后型鋼混凝土柱力學性能試驗 318
8.4.6.3 火災后型鋼混凝土柱抗震性能試驗 319
8.4.7 結論 321
8.5 火災后高層型鋼混凝土框架結構的抗震性能評估 322
8.5.1 引言 322
8.5.2 計算原理 322
8.5.3 典型型鋼混凝土框架結構的設計 322
8.5.4 框架結構地震靜力非線性分析 325
8.5.4.1 升降溫過程中框架截面溫度場及力學性能變化規律 325
8.5.4.2 火災后框架在地震力作用下破壞形態的參數分析 329
8.5.4.3 火災后框架水平地震承載能力的參數分析 331
8.5.5 非線性地震時程分析 333
8.5.5.1 頂層位移 334
8.5.5.2 彈塑性層間位移角 335
8.5.5.3 底層剪力- 時間關系 336
8.5.6 結論 336
8.6 型鋼混凝土結構火災后性能評估方法的工程應用 337
8.6.1 引言 337
8.6.2 TVCC 建筑結構的總體評估思路 338
8.6.3 火災現場調查及數值模擬 339
8.6.4 火災與荷載耦合分析方法 343
8.6.5 整體結構的火災全過程反應分析 343
8.6.6 火災后整體結構及構件承載能力驗算 346
8.6.6.1 火災后整體結構承載能力驗算 346
8.6.6.2 火災后構件承載能力驗算 346
8.6.7 試驗研究 347
8.6.8 結語 349

參考文獻 350

主要參考文獻 354