薄壁钢桁架-轻骨料混凝土组合楼板的设计.doc

绪论 研究背景 火灾对建筑结构的危害 随着人类社会的进步和物质生活水平的不断提高，大量房屋建筑的建造，尤其是高层建筑，形成了人口及建筑群密集的分布，同时可燃性材料被广泛使用于建筑的装饰美观,增加了建筑物火灾荷载密度，使得火灾发生的概率呈现出上升的趋势，火灾的危害程度也随之增强，而且随着社会财富的巨大积累，火灾事故将导致更大的损失。如2003年湖南衡阳某幢8层的结构形式为混凝土结构的商住建筑起火，由于火势无法控制，继而倒塌，就消防官兵就有20人员的死亡。根据国外的统计，火灾间接损失是直接损失的3倍左右，由此可见火灾m的钢结构塔楼，在飞机的撞击下引发火灾并迅速倒塌，这与高温下部分钢结构失效有着密切的关系，从而引起了人们对钢结构抗火性能研究的高度重视。 对于一般的钢筋混凝土结构，其耐火性能较好，但合理的耐火设计也是必不可少的，不然也会产生严重的后果。例如，南昌一32.4m的混凝土框架结构建筑—底部为2层商场，上部为7层住宅，发生火灾，在轰燃后两小时后，整个建筑因柱子失效而倒塌，造成严重的损失[2]。 火灾对建筑结构造成危害的原因 火灾对建筑结构的危害主要来源于高温，直接造成材料弹性模量的下降。以热对流、热辐射的形式，火场的热量传递给构件表面，继而通过热传递，表面的热量向内传递，由于构件的不均匀性，往往会产生不均匀升温，而不均匀升温又使结构发生不均匀变形，从而产生严重的附加应力，使建筑物构件变形增大、破坏，甚至倒塌[3]。 结构抗火研究 温度场研究 温度场的分析是分析结构高温下力学性能的首要条件。其主要受到材料的导热系数、比热等参数的影响，往往这些参数又跟温度有关，所以温度场的分析是一个复杂又重要的研究课题。这里针对组合结构，列举一些相关的温度场研究。 较早时期，同济大学就开展了对组合结构温度场的研究。李国强、殷颖智、蒋首超[4]，利用有限差分法，研究了了火灾下组合楼板温度场的计算方法并编制成相应程序，同时通过对影响温度场的参数进行分析简化相应的公式。胡克旭，徐朝晖[5]，基于室内火灾传热计算模型，利用有限元程序，对压型钢板－混凝土组合楼板在火灾下的温度场进行了全过程计算分析，并得到了试验验证，为进一步研究组合楼板的抗火性能提供了基础。 随着有限元软件的广泛应用，基于有限元软件的温度场模拟研究逐步形成。张怀章，杨秀萍，郝淑英[6]，采用有限元方法，提出了建模分析火灾下压型钢板－混凝土组合楼板温度场的实用方法，基于上述研究，张怀章，杨秀萍[7]，考虑接触热阻的影响，对组合楼板温度场进行模拟，分析了热阻大小对温度场的影响，对组合楼板抗火性能的研究有着重要意义。类似的温度场研究文献还有很多，随着温度场的试验研究和数值模拟研究的开展，组合结构的温度场分析理论和有限元模拟软件逐渐完善。 高温下建筑材料力学性能的研究 建筑材料在高温下，其力学性能有着明显的改变，如弹性模量和强度下降、徐变变形增加等。高温下结构钢的屈服强度、弹性模量和极限强度随温度升高而降低，当温度超过400℃后，开始急剧下降；当达到650℃时，钢材己基本丧失承载能力。高温下混凝土的抗压强度，在400℃以内，其变化不大，超过400℃后，出现大幅度下降，900℃以后，与常温下比较，不到十分之一；其弹性模量在升温过程中逐渐下降。 国内学者在高温下建筑材料的力学性能的研究方面也做了大量的工作，对常用的混凝土、钢材在高温下的性能进行了不少试验研究，积累了一定试验数据，如清华大学李卫过镇海对不同强度等级和粗骨料种类的四种砼进行的试验高温时的抗压强度、抗拉强度受压应力-应变全曲线升降温后的残余抗压强度、持续高温下的抗压强度。李国强 陈凯蒋首超殷颖智对常用的Q345钢进行了高温下的材料性能试验。32.5标号，轻骨料采用宁海生产高强的陶粒。首先为了计算混凝土配合比，对陶粒进行材性试验，测得其平均表观密度为1632 kg/m3，平均堆积密度为850 kg/m3，平均含水率为0.24%，平均吸水率为4.78%。根据轻骨料技术规程，计算出混凝土的配合比见表2.1。 按相应配合比制作尺寸为 150×150×150mm混凝土立方体试块。养护一个月后，测得试块实际密度为1760 kg/m3，并进行承载力试验，测得立方块的抗压强度为39 MPa左右，满足我们预期的强度。 表2. 1 轻骨料混凝土配合比(kg/m3) 水灰比 砂率 水泥 水 中砂 陶粒 0.53 0.41 380 200 525 769 按照该配合比浇筑相应的预制板，主要有1型和2型两种板型，如图2.1。每块楼板需要14块预制板，共计42块1型预制板，42块2型预制板。 图2.1 预制板构造 楼板现浇层，考虑到厚度和密实度要求，采用1：2：0.5的水泥砂浆浇筑。经实际实