新型圆截面钢-混凝土-CFRP-混凝土实心组合柱及其耐火性能.pdf
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1、2 0 1 0 年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 1 3 新型圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱 及其耐火性能 刘永军 a ,唐 元琳 a ,王晴 ( 沈阳建筑大学 a 土木工程学 院;b 科学与材料工程学 院,辽宁 沈阳 I 1 0 1 6 8 ) 摘
2、要: 提出了新型圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱( 简称为S C C C组合柱) , 利用火灾下建筑构件内温度场分析有限元软 件T F I E L D, 分析了自 然火灾曲线下 S C C C组合柱内温度场, 计算了C F R P的温度一 时间曲线。通过与基体材料的玻璃化转变温度比较, 得 到了 S C C C组合柱的耐火 时间 。计算表明 : 新型圆截 面钢一 混凝 土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱具有 良好 的耐火性能。 关键词: 组合柱; 纤维增强复合材料;耐火性能 ; 火灾 中图分类号 : T U5 2 8 5 7 1 文献标 志码 : A 文章编号
3、 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 3 7 0 3 Ne w c i r c ul ar hy br i d St ee l - - Conc r e t e - CFRP- Conc r e t e c ol umn a nd i t s f i r e be ha vi or 删Y o n g -j u n T A NGYu a n 一 WA NGQ i n g ( a S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ; b S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e
4、n c e a n dE n g i n e e ri n g , S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y , S h e n y a n g1 1 0 1 6 8 , C h i n a ) T h e n e wc i r c u l a r h y b ri d S t e e 1 -Co n c r e t e -CF R P -C o n c r e t e c o l u mn( s i mp l y c a l l e dS C C Cc o l u mn ) i s p r o p o s e d T e mp e r a
5、 t u r e d i s t r i b u t i o n i n a S CF C c olumn u n d e r a n a t u r a l fir e i s a na l y z e d u s i n g TF I E LD, a p r o g r a m f o r t e mpe r a t ur e fie l d a na l y s i s wr i t t e n b y a u t h o r s , an d the t e mp e r a t u r e t i me c u r v e s o f C F R P a r e p r e s e
6、n t e d T h e fi r e r e s i s t anc e t i me o f a S C CC c o l u mn C an b e o b t a i n e d by c o mp a ri n g t e mp e r a t u r e t i me c u r v e s wi th a s s t r a n s i t io n t e mpe r a t u r e o f po l y m e r m a t rix Nu me ric a l m o d e l i n g r e s u l t s de mo n s tr a t e tha t
7、 t h e ne w c i r c u l ar h y b rid S t e e l -Co n c r e t e -CF RP- Co n c r e t e c olumn s are o f e x c e l l e n t f i r e r e s i s t a n c e Ke y wor ds: h y b rid c o l u mn; CF R P; fir e b e h a v i o r ; fi r e 0 引 言 F R P复合材料是继钢材和混凝土之后的第三大现代结构 材料 , 具有优越 的力学性能 , 给土木工 程领域带来 了大量新机 会和新挑战。F
8、 R P最突出的特点是轻质高强, 同时, F R P材料耐 火性能差是其不可忽视的缺点。环氧树脂是最常用的一种 F R P 基体材料和胶黏剂, 大多数环氧树脂的玻璃化转变温度( ) 在 6 5 1 5 0之间 , 当温度达到玻璃化转变 温度 时 , 其力 学性能陡 然下降, 可以认为, 粘贴 F R P加固的建筑构件 , 当 F R P的温度 达到基体材料( 胶黏剂) 的玻璃化转变温度时, F R P将失去加固 作用 1 。环氧树脂 的另一个缺点是易燃 , 温度 达到 4 5 0时 , 环 氧树脂会开始燃烧, 同时释放出黑烟和有毒气体。J i 等在壁厚为 5 ml n的 G F R P圆管内灌
9、注混凝土, 形成 G F R P管混凝土构件, 进 行耐火试验时, 仅用 8 mi n , G F R P管中的环氧树脂就燃烧殆尽目 。 与环氧树脂不同, 纤维特别是碳纤维的强度几乎不受高温影响 , 两者结合到一起形成 F R P以后 , 高温力学性能介于两者之问。 当温度低于基体材料的玻璃化转变温度时 , C F R P的强度与常 温下基本相同, 温度达到3 5 0时, C F R P失去约 5 0 的强度, 温 度达到 5 0 0时 , 强度基本完全丧失。F R P及其基体材料耐火 性能差的缺点, 对其在桥梁结构中的应用影响不大, 但当 F R P 用于发生火灾概率较大的商场、 宾馆等建筑
10、结构中时 , 其耐火 性能就成了人们关注的焦点同, 因此, 研发具有 良好耐火性能的 新型 F R P组合构件 ,对于推动 F R P在土木工程中广泛应用具 有重要 意义 。 1 新型钢一 混凝土一 cF RP 一 混凝 土实心组合柱 近些年, 含有 F R P的组合构件得到了较快发展, 已经出现 了 F R P管一 混凝土柱 、 F R P 一 混凝土一 钢管双壁组合柱 、 F R P 一 钢 管一 混凝土柱等。 F R P管一 混凝土组合柱( 见 图 1 ) 是在 F R P管内浇筑混凝土 而形成的组合构件, 用包裹 F R P法进行加固的钢筋混凝土柱也 收稿 日期 :2 0 0 9 -
11、0 9 - 2 0 基金项目:辽宁省教育厅重点实验室项目( 2 0 0 9 S 0 8 6 ) ; 建设部科学研究项 目( 2 0 0 8 一 k 4 3 8 ) 混凝土 图 1 F RP管一 混凝土组合柱截面示意图 3 7 属于此类构件。 这种构件具有承载力高、 抗震性能好等优点。 在 H a d i 的试验中, 3层 C F R P约束的偏心受压构件的极限承载力 提高了 3 7 5 , 而轴心受压构件 的极限承载力提高 了 1 0 6 2 L4 1 。 F R P 一 混凝土一 钢双壁空心管是 由香港理工大学滕锦光教授 提出的一种新型的构件, 它由一个外层 F R P管 、 一个内层钢管
12、和两个管之间的混凝土所组成( 见图 2 ) 。双壁空心管具有 自重 轻、 抗弯刚度大、 耐久性好、 延性好等优点_5 J 。 混凝 土 钢管 图 2 F R P管一 混凝土一 钢管双壁空心管截面示意 图 F R P 一 钢管一 混凝土柱是一种新型组合构件, 是在钢管混凝土 柱的表面缠绕上 F R P的而得到的( 见图 3 ) 。F R P约束圆钢管混 凝土可以较好地发挥 F R P约束混凝土和钢管混凝土的双重优 点 , 构件在具有较高承载力 的同时还具有较好的延性 。 约束钢管 的C F R P 钢管 核心 混 凝土 图 3 F R P一 钢管一 混凝 土组合柱截面 示意图 前面 3 种构件的
13、F R P材料都位于构件的表面, 耐火性能是 一 个令人忧虑的问题。为了解决含 F R P构件的耐火问题, 作者 提出了圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱( 简称 S C C C 组合柱 ) 这种新型构件( 见 图 4 ) 。 环形混凝 土对于 S C C C组合柱 的耐火陛能至关重要 , 环形 昆 凝土越厚, C F R P在火灾中的就温 度越低, S C C C组合柱的耐火时间也越长。但是, 环形混凝土越 厚 , C F R P管约束的核心混凝土占混凝土总量的份额就越少, C F R P管发挥的约束作用就越小 , 因此, 大直径柱子更适合采用 S C C C组合柱
14、。 圆钢 管 环形 混凝土 CF RP 圆管 核心 混凝土 图 4 圆截面钢一 混凝 土一 CF RP 一 混凝土实心组合柱截面示意图 暂把大于等于 8 0 0 rai n的直径称为大直径。 大直径柱子特 别是大直径钢管混凝 土柱在高层 建筑 中已有广泛应用 , 例如 : 1 9 9 9年建成的广州新中国大厦, 柱子最大直径达到 1 4 0 0 i n n 1 ; 38 2 0 0 0年建成 的重庆世界贸易中心 , 柱子最大直径达到 1 5 0 0 i n to; 1 9 9 9年建成的深圳赛格广场, 柱子最大直径达到 1 6 0 0 m i l l : 1 9 8 9年建成的美 国西雅 图
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