鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理

內(nèi)容概要

　　《鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理》論述了第一作者領(lǐng)導(dǎo)的課題組在鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理方面進(jìn)行的研究工作和取得的成果，具體內(nèi)容包括：組合構(gòu)件，如型鋼混凝土、中空夾層鋼管混凝土、不銹鋼管混凝土和FRP（Fiber
Reinforced
Polymer）約束鋼管混凝土等的耐火性能；火災(zāi)后鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和修復(fù)加固方法；鋼混凝土組合框架梁柱連接節(jié)點的耐火性能；火災(zāi)后鋼混凝土組合框架梁?柱連接節(jié)點的力學(xué)性能；鋼混凝土組合平面框架結(jié)構(gòu)的耐火性能。
　　《鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理》內(nèi)容新穎，系統(tǒng)實用，可供從事土木工程及相關(guān)領(lǐng)域研究的科技人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

作者簡介

林海，男，1967 年10 月出生。  清華大學(xué)韓林海教授。現(xiàn)任清華大學(xué)土木水利學(xué)院土木工程系系主任、教授、博士生導(dǎo)師。 中國力學(xué)學(xué)會結(jié)構(gòu)工程專業(yè)委員會，主任委員 為首批‘國家百千萬人才工程’第一、二層次人選（1996 年），建設(shè)部‘有突出貢獻(xiàn)的中青年專家’（1997 年），國務(wù)院特貼專家（1997 年）。曾獲霍英東教育基金（1996 年）和霍英東教育基金會高校青年教師獎（2004 年）。2004 年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助，2005 年入選清華大學(xué)“百人計劃”，2008 年獲第十屆“茅以升北京青年科技獎”。    眾所周知，火災(zāi)會嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全，同時也會產(chǎn)生不良的社會影響，并對環(huán)境造成污染。在可能發(fā)生的火災(zāi)中，建筑火災(zāi)的發(fā)生最為頻繁?；馂?zāi)之所以對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，實際上是由建筑結(jié)構(gòu)的功能屬性決定的?；馂?zāi)發(fā)生具有隨機(jī)性，面對火災(zāi)，人類需掌握其災(zāi)變機(jī)理，深入研究建筑結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計原理，進(jìn)行科學(xué)的抗火設(shè)計，從而使建筑結(jié)構(gòu)具備要求的“抗火”性能。
組合結(jié)構(gòu)（Composite Structures）是目前在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣泛且發(fā)展較快的一種結(jié)構(gòu)形式，是由兩種或兩種以上結(jié)構(gòu)材料組合而成的結(jié)構(gòu)。作者有幸在我國土木工程建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展時期進(jìn)行了一些組合結(jié)構(gòu)方面的研究工作。關(guān)于鋼管混凝土構(gòu)件方面的研究成果在《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)》（科學(xué)出版社，2000年初版；2004年第一版；2007年第二版）中進(jìn)行了論述；有關(guān)一些新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件、組合結(jié)構(gòu)節(jié)點和平面框架、混合剪力墻結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)體系等方面的研究成果則在《現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)》（2009年，科學(xué)出版社）中進(jìn)行了闡述。本書主要論述作者在鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理方面取得的研究結(jié)果。
建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的總體目標(biāo)可概括為最大限度地減少人員傷亡、降低財產(chǎn)的直接和間接損失、減輕對環(huán)境的污染和影響。以往，人們已在建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理方面取得了不少成果，積累了不少工程實踐經(jīng)驗，但對鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理方面仍有不少問題需要繼續(xù)深入研究，有關(guān)設(shè)計規(guī)程也需要制訂、補(bǔ)充或完善。
鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理的研究包括其耐火性能、抗火設(shè)計方法和防火保護(hù)措施等方面，其中耐火性能研究是確定抗火設(shè)計方法的前提，而如何根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的特點，“因地制宜”地采用適當(dāng)?shù)姆阑鸨Ｗo(hù)措施是最大限度地實現(xiàn)建筑投入經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)性能有效性統(tǒng)一的保證，是保證實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計目標(biāo)的基礎(chǔ)。
掌握基本構(gòu)件的耐火性能是進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)體系抗火性能研究的基礎(chǔ)。本書第2章論述了型鋼混凝土構(gòu)件的耐火性能和抗火設(shè)計方法；第3章論述了中空夾層鋼管混凝土、不銹鋼管混凝土、FRP約束鋼管混凝土和鋼筋混凝土構(gòu)件的耐火性能；第4章中論述了火災(zāi)后鋼管混凝土構(gòu)件修復(fù)加固方面的研究成果。
實際建筑結(jié)構(gòu)多為超靜定結(jié)構(gòu)，因此火災(zāi)作用下單個構(gòu)件的破壞并不等同于整個建筑結(jié)構(gòu)的破壞。例如，在局部火災(zāi)下，即使某一構(gòu)件達(dá)到耐火極限，往往也不會因為單根構(gòu)件的失效而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞；但節(jié)點的破壞卻使得整體建筑可能從結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，從而失去整體穩(wěn)定性而倒塌。在對火災(zāi)下結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)分析中，合理地模擬節(jié)點的工作機(jī)理往往是難點，也是關(guān)鍵點。本書第5章論述了型鋼混凝土柱型鋼混凝土梁、鋼管混凝土柱鋼筋混凝土梁連接節(jié)點的耐火性能；第6章論述了考慮升、降溫影響時鋼管混凝土柱組合梁、型鋼混凝土柱型鋼混凝土梁連接節(jié)點火災(zāi)后的力學(xué)性能；第7章則介紹了火災(zāi)后鋼管混凝土柱鋼梁連接節(jié)點的滯回性能。
研究火災(zāi)下單層、單跨框架的力學(xué)性能是進(jìn)行多層、多跨框架以及空間框架結(jié)構(gòu)體系耐火性能和性能化抗火設(shè)計的基礎(chǔ)。本書第8章論述了鋼管混凝土柱鋼筋混凝土梁平面框架結(jié)構(gòu)耐火性能的研究結(jié)果。
本書第9章對鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理研究的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討和展望。
本書的研究工作先后得到國家杰出青年科學(xué)基金項目（項目編號：50425823）、國家自然科學(xué)基金重點項目（項目編號：50738005）、國家重大基礎(chǔ)研究計劃（“973”計劃）項目（項目編號：2012CB719703）、國家科技支撐計劃子課題（項目編號：2006BAJ06B06，2006BAJ03A0311，2008BAJ08B01407和2012BAJ07B014）、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金課題（項目編號：20090002110043）、公安部應(yīng)用創(chuàng)新計劃項目（項目編號：2007YYCXTXS155）、清華大學(xué)“百名人才引進(jìn)計劃”資助課題、清華大學(xué)自主科研計劃課題（攻堅專項，課題號：2011THZ03）等的資助，特此致謝！
本書第一作者的博士后和研究生們對本書所論述內(nèi)容做出了重要貢獻(xiàn)，如王衛(wèi)華、譚清華和鄭永乾進(jìn)行了型鋼混凝土構(gòu)件耐火性能的研究（第2章）；盧輝、廖飛宇、陶忠、楊有福、陳峰等進(jìn)行了組合柱耐火性能的研究（第3章）；陶忠、林曉康和陳峰進(jìn)行了鋼管混凝土火災(zāi)后性能的研究（第4章）；鄭永乾、王衛(wèi)華和譚清華進(jìn)行了組合框架梁柱節(jié)點耐火性能的研究（第5章）；霍靜思和江瑩等進(jìn)行了火災(zāi)后框架梁柱節(jié)點力學(xué)性能的研究（第6章和第7章），王衛(wèi)華和王廣勇進(jìn)行了組合框架結(jié)構(gòu)耐火性能的研究（第8章和第9章）等。作者在此謹(jǐn)向他（她）們致以誠摯的謝意！
作者感謝公安部天津消防科學(xué)研究所、國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，澳大利亞Monash大學(xué)土木工程系結(jié)構(gòu)實驗中心等單位為進(jìn)行與本書內(nèi)容有關(guān)的火災(zāi)試驗所給予的支持和幫助！
組合結(jié)構(gòu)學(xué)科所包含的內(nèi)容廣泛，其抗火設(shè)計原理研究的內(nèi)容非常豐富。本書僅結(jié)合作者所熟悉的領(lǐng)域和取得的階段性研究結(jié)果進(jìn)行論述，內(nèi)容遠(yuǎn)非全面和系統(tǒng)。開展本書有關(guān)研究工作的目的：一則期望能解決一些具體的組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理研究方面的問題；二則期望能為有關(guān)領(lǐng)域研究工作的進(jìn)一步深入開展提供參考。隨著課題組研究工作的不斷深入，作者期望能對本書內(nèi)容進(jìn)行充實和完善。
由于作者學(xué)識水平所限，書中難免存在不妥之處，作者懷著感激的心情期待讀者給予批評指正！
2012年5月1日于清華園

書籍目錄

前言
主要符號表
第1章 緒論
第2章 型鋼混凝土構(gòu)件的耐火性能
第3章 新型組合柱的耐火性能
第4章 火災(zāi)后鋼管混凝土柱的修復(fù)加固方法
第5章 組合框架梁-柱連接節(jié)點的耐火性能
第6章 火災(zāi)后組合框架梁-柱連接節(jié)點的力學(xué)性能
第7章 火災(zāi)后鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點的滯回性能
第8章 平面組合框架的耐火性能
第9章 組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原理研究展望
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　已往對混凝土高溫徐變模型的研究相對較少，一般是基于對試驗數(shù)據(jù)回歸得到簡化計算公式。Harmathy（1993）給出了與σc、t和T相關(guān)的混凝土高溫徐變模型。過鎮(zhèn)海和時旭東（2003）通過對試驗數(shù)據(jù)回歸，得到了混凝土的高溫徐變模型。研究者在對高溫下混凝土的材料性能進(jìn)行試驗研究時發(fā)現(xiàn)：混凝土的高溫徐變值要遠(yuǎn)大于其常溫徐變值，在2～3h內(nèi)發(fā)生的徐變值超過常溫下數(shù)十年的徐變值，但其試驗的測量值與εcσ印或εctr相比，絕對值約小一個數(shù)量級（南建林，等，1997）。Bratina等（2007）、Kodur和Dwaikat（2008）采用Harmathy（1993）的高溫徐變模型研究了鋼筋混凝土梁的耐火性能，發(fā)現(xiàn)混凝土高溫徐變在混凝土總應(yīng)變中所占的比例較小，是否考慮混凝土高溫徐變只對鋼筋混凝土梁的位移一時間關(guān)系曲線影響不大。本書2.2.1節(jié)中采用纖維模型法的分析結(jié)果也表明，混凝土高溫徐變對型鋼混凝土柱的荷載一位移曲線和影響較小，對型鋼混凝土梁的撓度一時間關(guān)系和耐火極限總體影響不大。過鎮(zhèn)海和時旭東（2003）通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在首次升溫過程中，混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)隨溫度的升高而加速增長，其值約與應(yīng)力水平成正比；在降溫過程中其值變化很小，約保持最高溫度時的最大瞬態(tài)熱應(yīng)變值，因此瞬態(tài)熱應(yīng)變在升溫時產(chǎn)生，在降溫時不可恢復(fù)。Bratina等（2007）、Kodur和Dwaikat（2008）、Sadaoui和Khennane（2009）、Sadaoui等（2007）、Yin等（2006）在對鋼筋混凝土梁、柱、框架和鋼管混凝土柱的耐火性能進(jìn)行分析時均采用了Anderberg和了helanderson（1976）提出的單軸狀態(tài)下混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)變模型。過鎮(zhèn)海和時旭東（2003）通過對應(yīng)力水平（σ／fc）為0～0.6、升溫速度為2～5℃C／min的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得單軸狀態(tài)下混凝土瞬態(tài)熱應(yīng)變計算公式。Thelandersson（1987）在Anderberg和ThelanderssOn（1976）單軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土瞬態(tài)熱應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)將模型擴(kuò)展到多軸狀態(tài)，Khennane和Baker（1992）、Heinfling等（1997）和Nechnech等（2002）將該模型應(yīng)用到混凝土的高溫彈塑性模型中。

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