ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
采用自制火灾试验炉对足尺钢框架结构中楼板的火灾行为进行试验研究。简要介绍了试验炉的设计、温度及变形测量方案，描述了试验现象以及楼板、钢梁和节点的破坏特征，分析了楼板、钢梁的截面温度分布规律和变形规律，并与相关试验结果进行了对比。结果表明：炉内温度基本均匀，停火时平均炉温约为780℃；升温时沿板厚具有较大的升温梯度，降温时存在降温滞后；升温阶段前期受火钢梁截面存在较大的升温梯度，后期截面温度基本一致；受火板格板顶裂缝模式主要取决于其边界条件，非受火板格裂缝特征取决于受火板格的位置及数量；由于受火组合梁产生反拱效应，受火板格中心位移存在一平缓阶段；因相邻结构约束较强，钢梁具有较好的抗火性能；与高强度螺栓连接节点相比，混合连接节点可有效防止钢梁出现局部屈曲。
通过对7根高温后钢筋混凝土短柱试件和1根常温对比试件的拟静力试验，研究受火时间、轴压比和剪跨比对火灾后钢筋混凝土短柱的破坏形态、受剪承载力、骨架曲线、刚度退化、延性比、滞回耗能等的影响。利用有限元程序计算了高温后截面混凝土抗压强度的平均折减系数，提出了四周受火后钢筋混凝土柱受剪承载力的计算方法。研究结果表明：高温后短柱的受剪承载力随受火时间的增加、剪跨比的增大而减小；剪跨比对受火前后受剪承载力影响变化的程度相差较小；高温后短柱的受剪承载力先随轴压比的增大而增大，但当轴压比增大至界限轴压比后，受剪承载力反将降低，且高温后柱的界限轴压比较未受火时有减小趋势；提出的高温后钢筋混凝土柱受剪承载力计算式具有一定的安全保证率，可用于火灾后该类构件受剪性能的损伤评定。
通过对7根高温后钢筋混凝土简支梁试件和3根常温对比梁试件的静力试验，研究受火时间、剪跨比、配箍率、楼板翼缘对钢筋混凝土梁剩余受剪性能和剩余受弯性能的影响。利用有限元程序，分析ISO 834标准升降温全过程对混凝土梁截面内各点最高过火温度的影响，提出了三面受火后钢筋混凝土梁受剪承载力的计算方法。研究结果表明：高温作用使梁的受弯承载力和受剪承载力降低、挠度增大；楼板翼缘对梁的受弯承载力具有一定的提高作用，但对受剪承载力影响不大；降温段对截面内部混凝土曾经历的最高过火温度影响较大，梁截面宽度250 mm、高度400 mm的混凝土矩形截面按ISO 834标准曲线三面受火1h、2h后，是否考虑降温段可使截面内最高过火温度最大相差283、251℃；提出的高温后钢筋混凝土梁受剪承载力计算式具有一定的安全保证率。
设置高温中和高温后不同的钢筋笼，用以区分高温中和高温后模型的异同，利用ABAQUS损伤塑性模型考虑混凝土损伤的积累，建立模拟高温中荷载对高温后钢筋混凝土梁受剪承载力影响的三维有限元分析模型。通过与试验结果的对比，验证了该模型具有较好的精度。采用该模型分析高温中不同荷载水平及作用位置对高温后钢筋混凝土梁受剪承载力的影响，结果表明：随着高温中荷载的增加，高温后钢筋混凝土梁受剪承载力降低；当高温中荷载小于其极限荷载的0.6倍时，受剪承载力降低较小，当高温中荷载大于其极限荷载0.6倍时，降低明显；对于高温中和高温后作用点相同的情况，剪跨比越小，受剪承载力下降越大；随着高温中荷载的增加，残余应变增大，但高温后刚度变化较小。
通过20个高温下带栓钉连接件型钢混凝土短柱推出试验及2个常温下的对比试验，研究其破坏形态、荷载-滑移特性、界面剪切承载力等。试验结果表明：高温下带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的破坏形态与常温下大致相同，破坏以栓钉外侧混凝土劈裂为主；与常温下试件的荷载-滑移曲线相比，高温下推出试件荷载-滑移曲线的上升段相对平缓，在较小的荷载作用下即产生相对滑移，滑移刚度相对减小；当升温最高温度的持续时间相同时，试件的界面剪切承载力随最高温度的提高而降低，其中从常温到最高温度达到400℃以前，试件的界面剪切承载力随最高温度提高下降很快，而最高温度超过400℃以后，界面剪切承载力随最高温度提高下降的趋势减缓；当升温最高温度一定时，随着最高温度持续时间的增加，试件的界面剪切承载力降低。引入高温下界面剪切承载力影响系数，提出高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪切承载力计算式，计算结果与试验结果相比总体偏于安全。
对4榀空间预应力钢桁架结构模型进行火灾下的结构响应及火灾后力学性能试验研究。模型选用奥氏体304无缝不锈钢管制作，张拉钢索采用7×12+IWR镀锌高强钢绞线，通过置于模型下端中心处的伸缩小立柱施加预应力。结构模型两端简支，另两边自由。试验测定了火灾下桁架弦杆和腹杆的温度响应及上弦节点位移，并对火灾后尚未破坏的结构模型进一步进行原位卸载及加载试验。研究结果表明：预应力不锈钢桁架模型在受火过程中，虽然张拉钢索产生一定的松弛，但结构模型未出现整体坍塌；火灾后的预应力钢桁架产生一定的残余位移，且对于相同几何尺寸和受火条件的结构模型，二次张拉施加预应力的结构模型火灾后残余位移小于一次张拉模型；对于具有较大刚度的结构，张拉次数及最高受火温度对预应力不锈钢桁架的火灾后弹性极限荷载没有影响。
为研究裂缝对火灾下钢筋混凝土结构性能的影响，设计4个足尺寸钢筋混凝土偏压柱试件，以裂缝宽度ω作为损伤指标，加载使其产生ω分别为0.05、0.10、0.15、0.20mm的裂缝，继而对不同使用损伤的柱试件进行四面受火试验。试验研究表明：受火后裂缝宽度发展约为受火前10倍，深度约为受火前3倍；使用损伤愈大，柱极限耐火时间愈短。假定火灾下裂缝宽度、深度开展与受火试验升温时间成正比，采用ANSYS软件对偏压柱截面进行温度场有限元分析。结果表明：有限元分析得出的截面温度与试验实测温度有较好的拟合性；沿柱截面高度方向温度分布存在一个温度畸变平台且使用损伤越大平台越长，导致截面高温下承载力显著退化；沿柱计算长度方向各截面温度分布发生变化，有限元分析中假设沿柱计算长度方向各截面温度分布相同的结论不再适用。提出考虑损伤平台的高温下混凝土柱承载力简化计算模型，显著提高了计算精度，证明了该方法的正确性和可靠性。
为研究再生混凝土筒体的耐火性能，进行了3个混凝土筒体试件高温下工作性能试验研究。3个试件分别为普通混凝土筒体，粗骨料为再生骨料、细骨料为天然骨料的半再生混凝土筒体，粗骨料、细骨料均为再生骨料的全再生混凝土筒体。分析3个试件的温度场、竖向位移、墙体挠度及耐火极限。利用ABAQUS软件，模拟分析了筒体混凝土温度场，分析结果与试验结果符合较好。研究表明：随着再生骨料取代率的增加，混凝土内部温度的增加速率减小；相同受力和受火条件下，同一位置再生混凝土比普通混凝土的温度低；由于再生混凝土孔隙率略大，在荷载和高温共同作用下，其受力性能比普通混凝土略差；随再生骨料取代率的增加，耐火极限逐渐降低。
为研究全截面配置钢管高强混凝土剪力墙的压弯性能，完成了8个钢管高强混凝土剪力墙试件在单调水平荷载作用下的压弯试验，研究各试件的破坏形态、刚度、承载力、变形能力和耗能能力。试验结果表明：剪力墙的破坏形态为弯曲破坏；与一般剪力墙相比，钢管高强混凝土剪力墙初始刚度大、承载力高，破坏时承载力和刚度退化较慢、延性好，可避免底部剪切滑移破坏，具有较好的抗震性能。利用ABAQUS有限元分析软件对钢管高强混凝土剪力墙进行非线性分析，对其受力机理作理论上的诠释。在试验和理论分析的基础上，提出了钢管高强混凝土剪力墙压弯承载力计算式，计算结果与试验结果吻合较好。
为提高异形截面钢管混凝土柱的轴压承载力，提出内置钢骨组合异形截面钢管混凝土柱。考虑套箍指标、配骨率等参数的影响，设计制作12个内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱及3个未配置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱两类试件；通过轴心受压试验，考察试件的破坏形态，实测试件的荷载-纵向应变曲线和承载力，分析各参数对试件力学性能的影响，并对比两类组合柱轴压性能的差异。在试验研究基础上，参考国内外相关规范，提出内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算式。研究表明，内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱轴压承载力高，增大套箍指标和配骨率可以明显提高试件承载力，所提出的承载力计算式可供工程设计参考。
对于采用高强螺旋箍筋约束混凝土柱的装配整体式框架结构，提出了一种新的柱-柱连接方式，即在局部外包钢管设置横穿栓筋进行连接。制作足尺装配整体式柱和整浇柱试件，对其进行低周反复加载拟静力试验。通过观测试件的受力、变形、破坏过程及破坏形态，分析其承载能力、变形能力和耗能能力，验证了新型连接的可靠性。结果表明：在高轴压比下，采用新型连接的高强螺旋箍筋约束混凝土装配整体式柱与相应整浇柱均具有良好抗震性能，可以替代整浇柱应用于高烈度地震设防区的建筑结构中。结合试验，对新型连接的受力机制进行理论分析，提出了连接屈服荷载和破坏荷载的计算式，并通过计算结果与试验结果的比较，验证了理论公式的正确性。
设计了6根不同几何尺寸的中部带有短柱的高强混凝土梁式试件，进行受弯性能低周反复荷载试验，研究试件截面高度对反复荷载作用下高强混凝土梁受弯性能的影响。试件截面高度和上部纵向钢筋配筋率不同，截面长宽比、剪跨比、底部纵向钢筋配筋率和配箍率等参数相同。采用C70高强混凝土，纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋。分析了截面高度对高强混凝土梁名义开裂弯矩、名义屈服弯矩、名义极限弯矩、位移延性、塑性转动能力、刚度退化以及耗能能力的影响。研究结果表明：截面高度对高强混凝土试件的名义开裂弯矩、名义屈服弯矩、名义极限弯矩没有明显影响；反复荷载作用下试件刚度退化明显，各试件刚度退化规律相差不大，不受截面高度影响；随着截面高度增加，位移延性系数、塑性铰区的塑性转动能力及功比指数降低，存在明显的尺寸效应。
为了研究内填Y形钢支撑多层RC框架结构的抗震性能，进行了3榀2层单跨1/2缩尺试件的低周反复荷载试验。分析试件在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化规律以及耗能能力。研究结果表明：应用Y形钢支撑加固RC框架合理可行，Y形钢支撑承担了大部分水平荷载，梁柱连接节点破坏程度较轻；耗能段与混凝土梁的连接构造合理，没有发生破坏；Y形钢支撑破坏，导致结构失效；加载初期，试件荷载侧向位移比滞回曲线具有一定程度的捏缩，耗能段屈服后，试件滞回曲线相对饱满；试件2层的荷载-层间位移比滞回曲线比1层饱满，2层的侧向变形程度比1层大；楼板的存在增加了框架梁的刚度，减少了梁上的裂缝数量；节点构造对结构抗侧刚度影响较小，对变形能力影响较大；加固震损后的结构，应该考虑结构刚度退化程度。在试验的基础上提出了内填Y形钢支撑的设计方法。
X形弱腹杆式延性桁框结构是一种新型抗震结构体系，针对该结构体系，推导消能段的受剪承载力，提出结构简化计算模型，并根据我国抗震设计准则给出确定X形弱腹杆截面和消能段长度的计算方法及构造要求。采用上述方法确定的消能段可以精确控制延性桁框结构的屈服时刻和破坏模式，并实现水平地震作用下各楼层同步屈服，充分耗能。最后采用有限元分析方法进行单向和循环加载分析与验证，结果表明：合理的消能段长度可以显著提高桁框结构的延性、耗能能力、承载能力和安全储备，抗震性能明显优于普通桁框结构；弱腹杆截面和消能段长度的计算方法具有较高的精度，可以在确保消能段耗能的前提下实现结构的优化设计。
为研究钢筋混凝土Z形截面双向受剪柱的抗震性能，对4个缩尺比为1/2的试件进行拟静力试验，分析不同水平加载方向（加载角α分别取0°、45°、90°、135°）对其抗震性能的影响，研究Z形截面柱的破坏形态，得到试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载力、位移延性系数、刚度退化和耗能能力等力学性能指标。研究结果表明：试件在水平反复荷载作用下的破坏形态为弯剪破坏、弯曲破坏、剪切黏结破坏和剪切斜压破坏，其中剪切破坏的试件延性较差；双向水平荷载作用方向对Z形截面柱受剪承载力的影响近似符合椭圆规律，在加载角为45°时，试件的耗能能力最强，当加载角为0°和135°时，试件的耗能能力相差不大。提出钢筋混凝土Z形截面柱双向受剪承载力的计算方法，按该方法对本次试验和已有试验共22个试件进行计算，计算结果与试验值吻合较好。
为满足小跨高比连梁承载力、延性及耗能的要求，同时避免由于钢筋密集导致的施工困难，采用纤维增强混凝土（FRC）代替普通混凝土作为连梁基体，完成了4个对角斜筋小跨高比FRC连梁试件与1个混凝土连梁对比试件的拟静力试验，分析其破坏过程、破坏形态、承载能力、变形能力和耗能能力等。分析结果表明：FRC可提高连梁的承载力、延性和耗能能力；对角斜筋FRC连梁在主斜裂缝出现前，已具有很高的受剪承载力和变形能力以及良好的抗损伤能力，能够满足强震下的承载力和变形需求，强震后无需修复或稍加修复即可继续使用。
通过1根钢筋高强混凝土梁和12根钢筋钢纤维高强混凝土梁的静载及等幅疲劳试验，分析静载和疲劳荷载作用下钢筋钢纤维高强混凝土梁挠度和刚度变化规律，以及疲劳应力比、钢纤维类型、钢纤维体积率、钢纤维掺入截面高度和混凝土强度等对钢筋钢纤维高强混凝土梁挠度的影响。结果表明：在钢筋高强混凝土梁中掺加钢纤维能有效限制梁刚度的退化，显著提高梁的抗弯刚度，减小梁的跨中挠度，使静载和疲劳荷载作用下梁的跨中挠度分别降低了19.0%~69.1%和15.0%~61.0%。在试验研究的基础上，通过理论分析修正了静载作用下钢纤维影响梁短期刚度的系数，提出了考虑疲劳次数和钢纤维含量特征值影响的钢筋高强混凝土梁疲劳刚度的计算方法，并将计算结果与试验结果进行了对比，两者符合较好。
为了对钢-混凝土组合梁施工阶段的受力性能进行准确分析，针对我国常用的隔板式组合梁，通过推出试验研究栓钉连接件受剪承载力随混凝土龄期的变化规律，采用ANSYS有限元分析软件分析栓钉连接件时变受剪承载力对某连续曲线组合梁施工阶段受力性能的影响。分析结果表明：在混凝土龄期很短时栓钉连接件就具有一定的受剪承载力和抗剪刚度，且早期增长快，后期增长慢；混凝土板分段浇筑时组合梁的应力和变形随浇筑时间间隔的增加逐渐减小，在本文实例中，与不考虑浇筑过程中混凝土与钢梁的组合作用时相比，浇筑时间间隔为6 h的组合梁径向变形减小26.5%；与考虑28 d龄期混凝土与钢梁的组合作用时相比，浇筑时间间隔为3 d的组合梁切向应力增大14.2%。因此，当组合梁混凝土板浇筑时间间隔在6 h至3 d之内时，均应采用栓钉连接件的时变受剪承载力来分析浇筑过程中混凝土与钢梁的时变组合作用对组合梁施工阶段受力性能的影响。
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