钢-混凝土组合结构火灾力学性能及工程应用

建筑火灾是发生频率很高的灾害，建筑火灾严重威胁着人员生命和财产的安全，同时也威胁着建筑结构的安全。2001 年9 月11 日，美国世界贸易中心双子塔被飞机撞击，引起大火导致整体建筑结构发生连续性倒塌，导致多人死亡，引起了人们对建筑结构耐火机理的重视。分析表明，高温作用下，世界贸易中心钢桁架楼板在高温下软化，失去对钢柱的支撑作用，使得钢柱承载能力骤降，进而引起整体结构的连续性倒塌破坏。2003 年11 月3 日，湖南省衡阳市商住楼衡州大厦的底层仓库发生大火，导致结构整体坍塌，造成了20 名消防队员牺牲。事后检测和分析发现，衡州大厦建筑结构整体倒塌是底层钢筋混凝土柱耐火能力不足导致的。2015 年1 月2 日，哈尔滨北方南勋陶瓷市场仓库发生大火，造成3 栋居民楼整体倒塌，导致5 名消防队员牺牲。该建筑底部为钢筋混凝土框架结构，上部为砌体结构。火灾下建筑结构的安全可以为人员疏散、消防灭火提供安全保障，也可为建筑本身及财产提供安全保障。火灾下建筑结构安全是生命和财产安全的最后一道防线，一旦建筑结构倒塌，其余将无从谈起，火灾下建筑结构的安全至关重要。为此，需要采用科学合理的方法进行抗火设计，掌握建筑结构的耐火性能及抗火设计原理成为结构抗火设计的迫切需要。
此外，建筑结构遭遇火灾后，需要对其火灾后的静力力学性能开展评估，为其火灾后的修复和加固提供参考依据。处于抗震设防区的建筑结构，遭受火灾后仍然面临着抗震设计的需求，需要对其火灾后的抗震性能进行评估。例如，2009 年2 月9 日发生的央视电视文化中心（TVCC） 大火造成了1 名消防队员的牺牲和1.6 亿元的直接经济损失。尽管TVCC 没有倒塌，但火灾对建筑结构造成了严重的损伤。由于该建筑结构位于8 度抗震设防区，建筑结构面临着火灾后抗震性能评价和修复加固的难题。为此，需要对遭受火灾的建筑结构进行抗震性能评估，这就需要火灾后建筑结构的抗震性能计算模型及评估方法。
钢管混凝土结构和型钢混凝土结构是两种典型且广泛应用的钢- 混凝土组合结构。由于具有较好的抗震性能、延性和承载能力，钢- 混凝土组合结构广泛应用于高层或超高层建筑结构。高层建筑增加了消防灭火和人员疏散的困难，国家对其耐火能力提出了较高要求，以进一步提高高层建筑中的钢-混凝土组合结构的耐火能力。钢-混凝土组合结构由型钢和钢筋混凝土、钢管和混凝土组成，存在钢-混凝土之间复杂的界面特性和型钢对混凝土的约束作用等机理，其传热机制和耐火机理复杂，需要对其开展深入研究。此外，火灾作用下，整体结构各组成部分之间存在热膨胀导致的温度内力和材料高温劣化导致的性能下降相互耦合作用，整体结构的力学性能更加复杂。对于高层建筑结构，重力荷载的二阶效应和水平风荷载都会对整体结构的耐火性能产生较大影响。因此，从整体结构的角度考察钢- 混凝土组合结构的耐火性能更合理。
本书介绍了钢- 混凝土组合结构耐火性能计算模型和抗火设计方法，从整体结构的角度探讨了钢- 混凝土组合结构的耐火性能及破坏形态，揭示了火灾下整体结构的工作机理，建立了考虑结构整体作用的抗火设计方法和实用方法。本书还介绍了火灾后钢- 混凝土组合结构的静力力学性能评估方法和抗震性能计算模型及评估方法。
众所周知，结构工程是一门试验性很强的学科，本书介绍了大量的结构耐火性能试验、结构火灾后性能试验和火灾后抗震性能的试验成果，而且这些试验多数为整体框架结构的试验。试验研究不仅为本书理论研究内容奠定了坚实的实践基础，也为读者提供了生动的直观感受和第一手研究资料。作者进行理论研究的同时，积极将理论研究成果应用于工程实践，并及时发现工程实践中的新问题，进一步研究其工作机理，及时提出理论方法，最终形成了理论和工程实践相互促进的良好循环。本书成果已应用于北京中国尊巨型钢管混凝土柱的抗火设计、央视电视文化中心建筑结构的火灾后性能评估及修复加固，以及宁波地铁和厦门地铁车辆段的钢筋及型钢混凝土框架结构的抗火设计等多项结构抗火设计和火灾后性能评估实际工程中。本书也详细介绍了理论成果的应用情况。
在研究过程中，博士生郑蝉蝉参与了端部约束型钢混凝土柱耐火性能的试验研究和理论研究工作，博士生张超参与了型钢混凝土框架结构火灾后力学性能的试验和理论研究工作。研究生谢福娣、刘维华、苏恒、方淳锟、崔兴晨、李政从事了部分试验研究工作。在作者进行央视电视文化中心建筑结构火灾后性能评估和修复加固工作中，得到了中国建筑科学院李引擎、清华大学韩林海老师及课题组的大力支持。在结构抗火设计方法推广工作中得到中交建筑集团徐峰等人的大力支持。在此，一并表示诚挚的感谢。本书相关研究内容得到了国家自然科学基金（项目编号：51778595、51278477）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023ME126）、北京市自然科学基金（项目编号：8172052）、中交建筑集团有限公司项目“大型综合交通枢纽关键建造技术创新与应用”和烟台大学博士启动基金（项目编号：TM20B73）等科技项目的资助和支持，特此致谢。最后，感谢烟台大学对本书出版的资助。
由于作者水平和视野所限，书中难免存在不足和疏漏之处，真诚希望读者提出批评和建议。

著者
2023 年7 月

钢管混凝土结构和型钢混凝土结构是两种典型的、应用广泛的钢-混凝土组合结构。钢-混凝土组合结构多用于高层建筑结构，高层建筑结构面临着较高的火灾危险性，钢-混凝土组合结构的耐火性能、抗火设计和火灾后性能评估方法是结构抗火和火灾后性能评估领域的关键问题。本书主要内容包括：钢管混凝土框架结构耐火性能及抗火设计方法、型钢混凝土框架结构耐火性能试验研究及精细计算模型、型钢混凝土框架结构抗火设计原理、火灾后型钢混凝土结构力学性能评估方法、火灾后型钢混凝土结构抗震性能评估方法。最后，还包括工程应用。
本书可供从事土木工程结构、防灾减灾、工程防火领域的研究与设计人员以及高等院校土木建筑类专业的师生参考。

第1章 钢管混凝土柱-钢梁框架的耐火性能 001
1.1 圆钢管混凝土柱- 钢梁框架的耐火性能 001
1.1.1 引言 001
1.1.2 火灾下钢管混凝土平面框架结构有限元计算模型的建立 001
1.1.2.1 典型框架的确定 001
1.1.2.2 材料热工参数和热力学模型  003
1.1.2.3 有限元模型概述 004
1.1.2.4 有限元模型的验证 004
1.1.3 框架温度场 007
1.1.4 火灾下钢管混凝土框架结构耐火性能分析 007
1.1.4.1 局部破坏形态 008
1.1.4.2 整体破坏形态 010
1.1.5 结论 011
1.2 矩形钢管混凝土柱- 钢梁平面框架的耐火性能 012
1.2.1 引言 012
1.2.2 矩形钢管混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型 012
1.2.2.1 典型框架的确定 012
1.2.2.2 材料热工参数和热力学模型 013
1.2.2.3 有限元模型及其网格划分 013
1.2.2.4 有限元模型的验证 013
1.2.3 框架温度场 014
1.2.4 框架结构耐火性能 014
1.2.4.1 破坏形态及破坏机理 014
1.2.4.2 框架结构耐火极限 016
1.2.5 结论 016

第2章 端部约束钢管混凝土柱的耐火性能  018
2.1 端部约束钢管混凝土柱的耐火性能参数分析 018
2.1.1 引言 018
2.1.2 火灾下端部约束钢管混凝土柱耐火性能有限元计算模型 019
2.1.2.1 端部约束钢管混凝土柱耐火性能计算模型 019
2.1.2.2 材料热工参数和热力学模型 020
2.1.3 端部约束钢管混凝土柱耐火性能的参数分析 020
2.1.3.1 轴向约束刚度的影响 020
2.1.3.2 转动约束刚度的影响 024
2.1.3.3 轴向约束和转动约束共同作用 026
2.1.4 结论 033
2.2 受框架约束钢管混凝土柱的耐火性能参数分析 033
2.2.1 引言 033
2.2.2 火灾下框架约束钢管混凝土柱耐火性能有限元计算模型 033
2.2.2.1 典型框架的确定 033
2.2.2.2 有限元模型概述 035
2.2.3 材料热工及高温性能参数 035
2.2.4 框架梁柱截面温度场 035
2.2.5 火灾下框架整体的破坏形态 035
2.2.6 火灾下钢管混凝土柱的破坏形态 036
2.2.6.1 四面受火柱 036
2.2.6.2 三面受火柱 037
2.2.7 框架柱耐火极限参数分析 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 结论 039

第3章 钢筋混凝土框架结构的耐火性能 041
3.1 轴向约束钢筋混凝土T 形梁的耐火性能参数分析 041
3.1.1 引言 041
3.1.2 火灾下钢筋混凝土T 形梁的有限元计算模型  041
3.1.2.1 钢筋混凝土T 形梁模型 041
3.1.2.2 材料热工参数及高温力学性能参数    042
3.1.2.3 有限元模型的建立 042
3.1.3 钢筋混凝土T 形梁的耐火性能参数分析  044
3.1.3.1 轴向约束刚度比的选取 044
3.1.3.2 梁的破坏形式和耐火极限的参数分析 045
3.1.3.3 钢筋和混凝土应力分布规律 046
3.1.4 结论 049
3.2 钢筋混凝土框架结构耐火性能及抗火设计方法 049
3.2.1 引言 049
3.2.2 钢筋混凝土框架结构耐火性能高效计算模型 049
3.2.2.1 典型框架的确定 049
3.2.2.2 火灾场景设计 050
3.2.2.3 有限元模型概述 051
3.2.3 框架结构的破坏形态及耐火极限 051
3.2.3.1 框架结构耐火极限的定义 051
3.2.3.2 框架结构的破坏形态及耐火极限 051
3.2.4 框架的局部破坏形态 052
3.2.4.1 变形及内力 052
3.2.4.2 框架结构的耐火极限状态 054
3.2.4.3 框架的耐火极限 055
3.2.5 框架结构的整体破坏形态 055
3.2.5.1 变形及内力 055
3.2.5.2 框架结构的耐火极限状态 058
3.2.5.3 耐火极限 058
3.2.6 框架结构抗火设计方法 058
3.2.7 结论 059

第4章 型钢混凝土结构耐火性能试验研究及计算模型 060
4.1 受约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究及计算模型 060
4.1.1 引言 060
4.1.2 型钢混凝土约束柱耐火性能试验研究 060
4.1.2.1 试验设计及试验装置 060
4.1.2.2 试验过程 064
4.1.2.3 试验结果及分析 064
4.1.3 型钢混凝土约束柱耐火性能分析 073
4.1.3.1 计算模型的建立 073
4.1.3.2 试验温度场分析 073
4.1.3.3 柱顶竖向位移-时间关系 074
4.1.3.4 柱顶转角位移-时间关系 076
4.1.4 结论 077
4.2 型钢混凝土框架结构耐火性能试验研究及计算模型 078
4.2.1 引言 078
4.2.2 型钢混凝土框架结构耐火性能试验研究 079
4.2.2.1 试验概况 079
4.2.2.2 框架的破坏形态 088
4.2.2.3 框架梁受剪破坏形态 088
4.2.2.4 框架梁柱破坏形态 095
4.2.2.5 框架柱破坏形态 099
4.2.2.6 框架梁耐火性能分析 114
4.2.2.7 柱破坏时框架耐火性能分析 115 
4.2.3 型钢混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型 116
4.2.3.1 温度场计算模型 116
4.2.3.2 高温下力学性能计算模型 119
4.2.3.3 型钢混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型的验证 121
4.2.3.4 小结 129
4.2.4 结论 129

第5章 型钢混凝土框架结构耐火性能分析 131
5.1 竖向荷载作用下型钢混凝土框架结构的耐火性能 131
5.1.1 引言 131
5.1.2 有限元计算模型 131
5.1.2.1 典型框架的确定 131
5.1.2.2 有限元模型概述 133
5.1.2.3 有限元模型的验证 134
5.1.3 框架的破坏形态及耐火极限 136
5.1.4 框架的局部破坏形态 138
5.1.4.1 变形及内力重分布 138
5.1.4.2 耐火极限 150
5.1.5 框架的整体破坏形态 150
5.1.5.1 变形及内力重分布 150
5.1.5.2 耐火极限 157
5.1.6 结论 157
5.2 水平荷载作用下型钢混凝土框架结构的耐火性能 158
5.2.1 引言 158
5.2.2 有限元计算模型 159
5.2.2.1 典型框架的确定 159
5.2.2.2 火灾场景设计 160
5.2.2.3 有限元模型 161
5.2.2.4 有限元模型的验证 161
5.2.3 框架的破坏形态及耐火极限 161
5.2.4 框架整体倾覆破坏形态 163
5.2.4.1 变形及破坏形态 163
5.2.4.2 耐火极限 173
5.2.5 框架梁破坏形态 173
5.2.5.1 变形及破坏形态 173
5.2.5.2 耐火极限 176
5.2.6 框架顶层破坏形态 177
5.2.6.1 变形及破坏形态 177
5.2.6.2 耐火极限 179 
5.2.7 结论 180
5.3 火灾降温阶段型钢混凝土结构力学性能研究 180
5.3.1 引言 180
5.3.2 型钢混凝土框架结构升降温力学性能试验 181
5.3.2.1 试验概况 181
5.3.2.2 试验结果及分析 181
5.3.3 型钢混凝土柱升降温力学性能试验 184
5.3.4 理论分析 184
5.3.4.1 理论分析方法 184
5.3.4.2 型钢混凝土柱 185
5.3.4.3 型钢混凝土框架 186
5.3.5 结论 188

第6章 火灾后型钢混凝土结构的静力力学性能 189
6.1 火灾后型钢混凝土柱力学性能试验研究 189
6.1.1 引言 189
6.1.2 试验方案 189
6.1.2.1 考虑火灾作用全过程的火灾后型钢混凝土柱力学性能试验方法 189
6.1.2.2 试件设计 190
6.1.2.3 试验装置 192
6.1.3 试验结果 192
6.1.3.1 温度场试验结果 192
6.1.3.2 破坏形态 193
6.1.3.3 柱顶竖向位移 196
6.1.3.4 柱荷载-位移曲线 197
6.1.4 火灾后承载能力的参数分析 198
6.1.4.1 受火时间的影响 199
6.1.4.2 含钢率的影响 199
6.1.4.3 荷载比的影响    199
6.1.5 结论 200
6.2 考虑火灾全过程的型钢混凝土柱力学性能计算模型 200
6.2.1 引言 200
6.2.2 有限元模型的建立 201
6.2.2.1 温度场计算模型 201
6.2.2.2 材料力学性能计算模型 202
6.2.3 温度场计算结果与实测结果的对比 208
6.2.4 柱顶位移计算结果与实测结果的对比 209
6.2.5 火灾后承载能力 211
6.2.6 结论 211
6.3 火灾后型钢混凝土偏心受压柱偏心距增大系数计算方法 212
6.3.1 引言 212
6.3.2 试验概况 213
6.3.3 火灾后型钢混凝土偏心受压柱偏心距增大系数 213
6.3.4 偏心距增大系数η 的计算 214
6.3.4.1 基本假定 214
6.3.4.2 火灾后SRC 柱极限曲率的计算 215
6.3.4.3 曲率修正系数k1、k2 216
6.3.5 试验验证 216
6.3.6 结论 217

第7章 火灾后型钢混凝土柱的抗震性能 218
7.1 火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验研究 218
7.1.1 引言 218
7.1.2 火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验 218
7.1.2.1 试件设计 218
7.1.2.2 温度场试验 220
7.1.2.3 试验加载装置及加载制度 221
7.1.3 试验结果 222
7.1.3.1 温度场分布 222
7.1.3.2 破坏形态 223
7.1.3.3 滞回曲线及骨架曲线 225
7.1.4 结论 226
7.2 火灾后型钢混凝土柱抗震性能有限元计算模型 227
7.2.1 引言 227
7.2.2 有限元计算模型 227
7.2.2.1 材料热工参数及温度场计算模型 227
7.2.2.2 火灾后力学性能计算模型 227
7.2.3 温度场计算结果与实测结果的对比 232
7.2.4 破坏形态计算结果与试验结果的对比 234
7.2.5 滞回曲线计算结果与实测结果的对比 234
7.3 火灾后型钢混凝土柱恢复力计算模型 235
7.3.1 引言 235
7.3.2 试件概况 236
7.3.3 火灾后型钢混凝土柱的恢复力模型 236
7.3.3.1 骨架曲线 236
7.3.3.2 恢复力模型 244
7.3.3.3 试验曲线与计算曲线的比较 245
7.3.4 结论 245 

第8章 火灾后型钢混凝土框架结构抗震性能 248
8.1 火灾后SRC 柱-SRC 梁框架抗震性能试验研究 248
8.1.1 引言 248
8.1.2 试验概况 248
8.1.2.1 试件制作及模型的选取 248
8.1.2.2 试验装置和测试内容 251
8.1.3 试验过程 253
8.1.4 框架升降温试验的结果及分析 254
8.1.4.1 试验现象和破坏特征 254
8.1.4.2 温度-时间关系曲线 257
8.1.4.3 位移-时间关系曲线 258
8.1.5 火灾后抗震性能试验结果及分析 260
8.1.5.1 试验现象和破坏特征 260
8.1.5.2 火灾后抗震性能试验破坏形态 263
8.1.5.3 滞回曲线及骨架曲线 266
8.1.6 抗震性能的参数分析 267
8.1.6.1 滞回性能参数分析 267
8.1.6.2 刚度退化规律 270
8.1.6.3 阻尼系数 271
8.1.6.4 延性 271
8.1.7 结论 273
8.2 火灾后SRC 柱-RC 梁框架结构抗震性能试验研究 273
8.2.1 引言 273
8.2.2 试件设计 274
8.2.3 试验装置和测试内容 276
8.2.3.1 试验装置 276
8.2.3.2 量测内容 278
8.2.4 试验过程 280
8.2.4.1 升降温力学性能试验 280
8.2.4.2 火灾后框架抗震性能试验 280
8.2.5 框架升降温试验的结果及分析 281
8.2.5.1 试验现象和破坏特征 281
8.2.5.2 温度-时间关系曲线 282
8.2.5.3 位移-时间关系曲线 283
8.2.6 火灾后抗震性能试验结果及分析 285
8.2.7 火灾后抗震性能试验破坏形态比较分析 292
8.2.8 滞回曲线及骨架曲线 293
8.2.9 抗震性能的参数分析 294 
8.2.9.1 滞回性能 294
8.2.9.2 刚度退化规律 295
8.2.9.3 延性 296
8.2.9.4 阻尼系数 297
8.2.10 结论 298
8.3 火灾后型钢混凝土框架结构抗震性能计算模型 298
8.3.1 引言 298
8.3.2 材料热工参数及温度场计算模型 298
8.3.3 材料本构关系 299
8.3.3.1 钢材 299
8.3.3.2 混凝土 299
8.3.3.3 升温、降温及火灾后各阶段材料本构关系的转变 300
8.3.4 混凝土与型钢、钢筋之间界面的黏结-滑移特性 300
8.3.4.1 型钢与混凝土之间的黏结滑移特性 300
8.3.4.2 钢筋与混凝土之间的黏结滑移特性 300
8.3.4.3 钢筋-混凝土、型钢-混凝土界面处理 300
8.3.5 有限元模型的网格划分 301
8.3.6 温度场计算结果与实测结果的对比 302
8.3.7 滞回曲线计算结果与实测结果的对比 303
8.3.7.1 破坏形态 303
8.3.7.2 滞回曲线 305
8.3.8 结论 307
8.4 基于梁柱单元的火灾后框架结构力学性能分析方法 307
8.4.1 引言 307
8.4.2 分析方法简介 308
8.4.2.1 全过程火灾后建筑结构力学性能分析原理 308
8.4.2.2 分析过程 308
8.4.2.3 材料子程序（UMAT）编制方法 308
8.4.3 升温、降温及火灾后各阶段混凝土的应力-应变关系 309
8.4.3.1 升温阶段 309
8.4.3.2 降温阶段 310
8.4.3.3 火灾后阶段 310
8.4.4 升温、降温及火灾后阶段钢材的应力-应变关系 311
8.4.4.1 应力-应变关系 311
8.4.4.2 钢材的强化模型 312
8.4.5 混凝土塑性增量本构关系 312
8.4.5.1 屈服函数及增量本构关系 312
8.4.5.2 混凝土应力-塑性应变关系及塑性模量 314
8.4.5.3 升温阶段温度变化前后应力应变状态的转变 316
8.4.5.4 强化模型 317 
8.4.6 分析方法的验证 317
8.4.6.1 钢筋混凝土框架耐火性能试验 317
8.4.6.2 火灾升降温及火灾后型钢混凝土柱力学性能试验 318
8.4.6.3 火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验 319
8.4.7 结论 321
8.5 火灾后高层型钢混凝土框架结构的抗震性能评估 322
8.5.1 引言 322
8.5.2 计算原理 322
8.5.3 典型型钢混凝土框架结构的设计 322
8.5.4 框架结构地震静力非线性分析 325
8.5.4.1 升降温过程中框架截面温度场及力学性能变化规律 325
8.5.4.2 火灾后框架在地震力作用下破坏形态的参数分析 329
8.5.4.3 火灾后框架水平地震承载能力的参数分析 331
8.5.5 非线性地震时程分析 333
8.5.5.1 顶层位移 334
8.5.5.2 弹塑性层间位移角 335
8.5.5.3 底层剪力- 时间关系 336
8.5.6 结论 336
8.6 型钢混凝土结构火灾后性能评估方法的工程应用 337
8.6.1 引言 337
8.6.2 TVCC 建筑结构的总体评估思路 338
8.6.3 火灾现场调查及数值模拟 339
8.6.4 火灾与荷载耦合分析方法 343
8.6.5 整体结构的火灾全过程反应分析 343
8.6.6 火灾后整体结构及构件承载能力验算 346
8.6.6.1 火灾后整体结构承载能力验算 346
8.6.6.2 火灾后构件承载能力验算 346
8.6.7 试验研究 347
8.6.8 结语 349

参考文献 350

主要参考文献 354