双钢板-混凝土组合剪力墙火灾下力学性能及破坏机理研究

To date, the structure of steel-concrete composite shear wall is most extensively applied in high-rise building and skyscraper designs and constructions. On the other hand there is neither theory about fire-resisting design of steel-concrete composite shear wall nor corresponding design method available in industry. A new type of structure of composite shear wall with double steel plates and infill concrete which is suitable for high-rise buildings is investigated. The mechanical performance and failure mechanism of the structure under fire are studied in experimental investigation and theoretical research. Firstly, the experimental research on the overall structure is done to investigate the fire resistance performance. The mechanical properties, fire endurance and failure characteristics under axial pressure, shear force and fire condition are studied. Secondly, based on the experimental research, the nonlinear numerical analysis theory of the fire resistance performance of the overall structure is established by properly taking the interaction between the steel plates, shear connectors and concrete into consideration, to study how the key factors impact on the temperature field, fire endurance, load bearing capacity, deformation. Finally, based on the results of experiments and numerical analysis, the failure mechanism of the composite shear wall is revealed. The simplified model is built to study the local buckling of the steel plate. The interaction work performance of the steel plate and the concrete in the shear wall is studied as well. The discriminate criterion of critical state and fire resistance design method based on the overall performance are presented, which provides useful basis for the fire resistance design method of composite structure with steel plates and infill concrete.

目前我国设计和建造的超高层建筑，均不同程度地应用了钢-混凝土组合剪力墙，但是国内外尚未建立关于钢-混凝土组合剪力墙抗火设计的理论与方法。本项目拟选取新型的适用于高层建筑的双钢板-混凝土组合剪力墙为研究对象，借助火灾试验、数值计算及理论分析等手段，对其在火灾下的力学性能及破坏机理系统地开展试验研究与理论分析。首先，对整体结构开展耐火性能试验研究，研究轴压力、剪力与火灾共同作用下的温度、变形、耐火极限和破坏特征；其次，基于试验研究，合理考虑钢板、剪力件、混凝土之间的相互作用，建立组合剪力墙抗火性能的非线性数值分析理论，研究主要参数对结构抗火性能的影响规律；最后，基于试验和数值分析结果，揭示火灾下组合剪力墙的破坏机理，建立钢板局部失稳时的简化力学模型，研究钢板与混凝土的共同工作性能，提出基于整体性能的的临界状态判别准则和抗火设计方法，为丰富和完善钢-混凝土组合结构的抗火设计提供依据和参考。

目前我国设计和建造的超高层建筑，均不同程度地应用了钢-混凝土组合剪力墙，但是对于双钢板—混凝土组合剪力墙这种新型组合剪力墙结构体系的抗火研究很少，国内外也尚未建立关于钢-混凝土组合剪力墙抗火设计的理论与方法。本项目在总结国内外双钢板-混凝土组合剪力墙相关研究的基础上，选取新型的适用于高层建筑的双钢板-混凝土组合剪力墙为研究对象，借助火灾试验、数值计算及理论分析等手段，对其在火灾下的力学性能及破坏机理系统地开展了试验研究与理论分析。主要研究内容和结论如下：.（1）首先，对整体结构开展耐火性能试验研究，研究了轴压力与火灾共同作用下的温度、变形、耐火极限和破坏特征；设计了6榀双钢板—混凝土组合剪力墙试验试件，钢板和混凝土之间连接方式主要分为：螺栓连接、栓钉连接、栓钉和剪力杆组合连接。按照ISO-834国际标准升温曲线对试件进行升温，达到耐火极限后，采用自然冷却的降温方式。不同连接方式的双钢板-混凝土剪力墙耐火极限：栓钉和剪力杆组合连接>栓钉连接>螺栓连接。受火面钢板有着明显的波纹弯曲，发生“皱褶”现象，连接件的存在能有效的抑制外包钢板的侧向变形。.（2）其次，合理考虑钢板、剪力件、混凝土之间的相互作用，基于有限元软件ABAQUS，分别建立了不同试件的温度场模型和耐火极限模型，和试验结果吻合良好。随着墙体混凝土厚度、端柱截面尺寸和防火涂料保护层厚度的增加，双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火极限均有显著地提升；随着轴压比的增加，双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火极限不断减小；.（3）最后，基于试验和数值模拟方法，揭示了火灾下组合剪力墙的破坏机理，研究了钢板与混凝土的共同工作性能，分析了不同参数对组合剪力墙耐火极限的影响规律，提出其抗火设计建议及耐火极限的简化公式，与有限元计算结果较为接近，同时给出了构件在不同耐火等级下所需的防火涂料保护层厚度，为双钢板-混凝土组合剪力墙的抗火研究提供参考。