建筑結構發生火災后，除可能引起結構倒塌和造成人員傷亡外，還可能導致結構的建筑功能喪失并引起較大間接經濟損失。目前國內外鋼管混凝土結構抗火研究主要針對獨立構件，然而獨立構件與整體結構中構件的抗火性能有很大不同，其原因是整體結構中的構件由于受到與其相鄰構件的影響，而改變其作為獨立構件時的受力方式，且在火災作用下，鋼材和混凝土的溫度膨脹效應也表現出很大的差異。本項目將研究高層建筑結構中應用較多的鋼管混凝土柱-鋼梁加強環節點（簡稱鋼管混凝土柱-鋼梁節點）的抗火性能，基于彈塑性有限元理論建立其在火災作用下的理論分析模型，并通過8個節點試件的受火試驗，對分析理論進行驗證。通過本項目試驗和理論研究，將揭示鋼管混凝土柱-鋼梁節點的受火溫度場及內力變化規律和受火破壞機理，確立其受火破壞準則和抗火設計原則，建立能較準確反映結構整體性的抗火設計方法，使鋼管混凝土柱-鋼梁節點抗火設計理論取得實質進展。

對組成鋼管混凝土梁柱節點的基本構件的抗火性能進行了理論和試驗研究；以截面形式、混凝土類型和試件曾經歷的最高溫度為主要參數，進行了32個鋼管再生混凝土短柱和8個鋼管普通混凝土對比試件火災（高溫）后力學性能的試驗研究；在確定鋼材和核心再生混凝土本構關系模型的基礎上，建立了火災（高溫）后鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能分析的有限元模型，揭示了火災（高溫）后鋼管再生混凝土短柱的工作機理；在系統參數分析結果的基礎上，提出了火災（高溫）后鋼管再生混凝土軸壓承載力和彈性模量的簡化計算公式。基于有限元軟件ABAQUS建立了鋼管混凝土柱-組合梁節點的理論分析模型，初步分析了影響該類節點火災下和火災升、降溫共同作用下力學性能的主要因素；設計了8個方鋼管混凝土柱-組合梁節點試件（火災下試件6個、火災升、降溫作用下試件2個），考察梁柱彎矩比（或線剛度比）、梁防火保護層厚度、梁荷載比等參數對該類節點時間－溫度關系、破壞形態、荷載-變形關系和變形-時間關系的影響規律。本項目的研究成果可為整體鋼管混凝土框架結構的抗火設計及其火災后的評估修復提供參考。 2100433B

本項目的成果包括：通過Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB)試驗，研究了建筑結構用鋼在高溫條件下的動態力學行為，并建立了一種新的鋼材高溫-粘塑性本構模型，該模型與試驗結果的擬合效果較好；在新提出本構方程的基礎上，基于三種不同單元(平面Timoshenko剪切梁單元、三維纖維梁單元、九節點Mindlin板單元)，建立了三個可用于分析火災-爆炸共同作用下約束鋼梁力學響應的非線性數值模型(使用Fortran編程)，并模擬了若干火災及爆炸試驗過程，效果良好；使用建立的數值模型并結合現有的商業通用有限元軟件進行了大量參數分析，總結了梁在火災-爆炸共同作用條件下的破壞模式，以及軸向約束剛度、爆炸載荷特征、火災升溫路徑等因素對梁響應結果的影響；提出了一種簡化的梁在火災-爆炸共同作用條件下響應的計算方法。鋼材的高溫動態沖擊試驗結果表明，動態應變時效(DSA)使兩種鋼材表現出明顯的“反常”行為，當溫度超過400℃時，鋼材的流動應力表現出溫度強化以及應變率軟化效應，同時可以明顯觀察到材料硬化率的提高。而參數分析表明，若僅考慮鋼梁在火災升溫過程中的材料軟化及撓曲變形造成的幾何非線性效應，而不考慮梁截面畸變影響，先爆炸、后火災或先火災、后爆炸，這兩種加載方式對鋼梁的影響主要集中于殘余撓度的差異上，對梁其它性能的影響較小。當考慮加載過程中梁截面的畸變，爆炸(尤其沿梁平面外方向加載)可明顯改變梁截面的抗彎剛度，從而使爆炸后梁的火災行為與使用梁單元分析的結果產生大的差異。爆炸施加的角度影響梁的火災-爆炸行為，沿梁負撓曲方向加載的爆炸作用，可使梁形成反拱，同時熱膨脹導致梁軸力的增大，這有利于梁抗火性能的提高。分析結果還表明，當梁截面各分肢具有合理的高厚比或寬厚比時，可以保證梁較好的延性，而延性越好，梁在火災-爆炸共同作用下將具有相對小的損傷。 2100433B

本項目進行了異形鋼管混凝土柱框架節點抗震性能試驗和數值分析研究。異形柱截面包括十字形和T形兩種，均內置對拉鋼筋加勁肋以延緩鋼管的局部屈曲，增強對核心混凝土的約束效應。節點傳力構造包括外環板和豎向肋板兩種，外環板將鋼梁翼緣拉力傳遞給柱鋼管腹板，雖然對建筑室內空間略有干擾，但繼承了圓形和方形鋼管混凝土柱框架節點構造可靠的優勢；豎向肋板雖然傳力效果略低于外環板，但其對建筑室內空間無干擾，符合異形柱結構的建筑功能初衷。節點抗震試驗在MTS協調加載系統下進行，梁、柱均取反彎點之間部分，端部邊界條件均為鉸接，在柱頂施加恒定豎向荷載和水平往復荷載。試驗中得到柱端水平荷載-位移滯回曲線、梁彎矩-轉角滯回曲線、節點核心區剪力-剪切變形曲線、梁柱彎曲變形曲線以及節點翼緣、腹板、外環板、豎向肋板應變曲線。結果顯示兩種形式異形鋼管混凝土柱框架節點均能較為充分發揮鋼梁的抗彎性能，剛度、承載力、變形能力和耗能性能均能滿足抗震要求，其中外環板節點的承載力、延性、耗能等力學性能均略好于豎向肋板節點。各節點破壞模式均依次表現為鋼梁翼緣屈服-柱鋼管被拉脫開-外環板或豎向肋板與鋼梁翼緣或柱鋼管連接焊縫開裂。結合試驗研究結果，本課題還深入進行了異形鋼管混凝土柱框架節點抗震性能數值分析。應用數值程序分析了外環板和豎向肋板形狀參數、柱軸壓比、梁剪跨比等因素對節點抗震性能的影響規律，并提出了異形鋼管混凝土柱框架節點簡化設計方法和構造措施。本課題研究的外環板異形鋼管混凝土柱框架節點和豎向肋板異形鋼管混凝土柱框架節點具有優良的抗震性能，能夠在高層建筑結構和較高抗震設防烈度地區的建筑結構中得到推廣和應用。 2100433B

爆炸往往伴隨著火災，而火災有時也會引起爆炸，研究鋼結構在爆炸和火災聯合作用下的力學性能具有重要的理論和現實意義。本項目擬對不同約束條件下工字鋼梁在高溫下的抗沖擊性能進行研究，包括理論分析、試驗研究、計算機模擬以及參數討論。通過對鋼材進行高溫下不同應變率的沖擊試驗，研究鋼材在高溫、高應變率下的力學性能，并擬合材性模型，確定相關參數，得到鋼材的應力、應變、應變率和溫度等參數之間的關系，將其應用到火災和爆炸下的結構分析。應用給定的燃氣爆炸荷載模型，研究鋼梁在火災和爆炸共同作用下的動力響應及破壞形態，考慮梁端約束情況包括軸向約束剛度、轉動約束剛度的影響，推導復雜條件下單元剛度方程，編制有限元程序，計算不同溫度下約束鋼梁的抗沖擊性能。通過參數分析，得到不同約束條件下工字鋼梁極限溫度和沖擊荷載之間的關系，給出約束鋼梁高溫下抗沖擊性能的計算方法。研究成果可為鋼框架結構整體抗火、抗爆性能研究提供基礎。