約束作用下混凝土雙向板抗火性能試驗研究和理論分析

為了深入研究面內(nèi)約束作用下混凝土板火災行為，本項目開展約束作用下混凝土雙向板火災試驗、數(shù)值模擬和理論分析。 試驗方面：通過十塊不同面內(nèi)約束工況混凝土雙向板火災試驗，獲得爐溫、混凝土和鋼筋溫度、板平面外（內(nèi)）變形、板角（平面內(nèi)）約束力等隨時間變化規(guī)律，觀測了試驗中混凝土板裂縫及破壞特征。 研究表明，由于板角約束作用，簡支板及單（雙）向面內(nèi)約束板均出現(xiàn)板角弧形斜裂縫；與火災下簡支板不同，單（雙）向面內(nèi)約束板板頂均易出現(xiàn)通長裂縫，且單（雙）向約束作用傾向于增加試驗板豎向變形，原因在于約束作用引起的P-δ效應。 數(shù)值方面：根據(jù)熱彈塑性理論和板殼單元，考慮面內(nèi)約束作用和含水率影響，建立了混凝土雙向板數(shù)值模型，發(fā)展程序?qū)γ鎯?nèi)約束混凝土試驗板進行數(shù)值分析，獲得了幾何(非)線性和混凝土膨脹應變對約束試驗板變形、彎矩分布和薄膜機理影響規(guī)律。此外，通過參數(shù)分析研究了約束類型、約束水平、長寬比、配筋率和板厚等對面內(nèi)約束混凝土板溫度場、變形、破壞模式和耐火極限等影響。研究表明，對任一約束工況，較大混凝土膨脹應變導致約束板較大變形，且?guī)缀畏蔷€性影響不可忽略；面內(nèi)約束作用傾向于降低跨中彎矩和增大板邊負彎矩，且不利于板大變形階段受拉薄膜效應發(fā)展；約束板火災行為取決于約束類型、約束水平和長寬比等相互作用。 理論方面：基于塑性鉸線理論，考慮受拉薄膜效應，提出鋼筋應變差概念和應變破壞準則，結(jié)合板塊內(nèi)力平衡方程，建立常溫及火災下面內(nèi)約束混凝土雙向板承載力計算方法。研究表明：鋼筋應變差理論所得薄膜效應階段混凝土雙向板荷載-位移曲線較為合理，且能夠確定混凝土雙向板極限狀態(tài)及相關參數(shù)。 本項目研究成果可為實際工程中提高混凝土雙向板抗火性能提供參考。 2100433B

本項目擬利用試驗爐，對面內(nèi)約束作用下鋼筋混凝土雙向板進行火災試驗；試驗時測量沿板厚方向混凝土和鋼筋溫度，以及板的平面外和平面內(nèi)變形；同時，考察試驗過程混凝土板裂縫及破壞特征，與已有受火簡支板的破壞特征進行對比。. 根據(jù)熱彈塑性理論和板殼單元，考慮面內(nèi)約束作用的影響,建立混凝土雙向板數(shù)值模型；發(fā)展相應的計算程序，結(jié)合試驗結(jié)果，驗證計算模型及程序的有效性；利用程序，分析主要參數(shù)（跨厚比、配筋率和面內(nèi)約束作用等）對混凝土雙向板火災行為的影響規(guī)律。此外，基于修正板塊平衡法，同樣考慮面內(nèi)約束作用，建立火災下混凝土雙向板的極限承載力計算方法，并將計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比。

在熱工指標和受拉力學性能指標試驗測定的基礎上，對高性能混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在持荷狀態(tài)下的火災反應和抗火性能進行試驗研究。在適用于高溫下高性能混凝土剪力墻內(nèi)數(shù)字溫度場建立后，進行基于損傷力學的非線性有限元理論分析。最后對火災損傷后高性能混凝土剪力墻的抗震性能進行試驗研究。 2100433B

采用試驗與理論研究方法，對局部火災下受約束鋼柱的受力性能、破壞準則、高等分析方法、及屈曲溫度和破壞溫度的簡化計算方法進行了研究。進行了三組共9根足尺受約束鋼柱抗火性能試驗，研究參數(shù)包括約束剛度比和截面溫度梯度等。試驗采用標準火災升溫，量測了受約束鋼柱的溫度分布，軸力發(fā)展，軸向變形，撓度變形和鋼柱扭轉(zhuǎn)變形等，為理論的驗證提供了試驗依據(jù)。建立了受約束鋼柱受力分析有限元模型，利用本項目試驗及國內(nèi)外其他試驗資料，對單元類型，單元網(wǎng)格尺寸，材料模型，求解方法等對計算結(jié)果的影響。依據(jù)有限元模型，對局部火災下考慮截面溫度分布情況的鋼柱進行了參數(shù)分析，研究參數(shù)包括：受約束鋼柱的荷載比，約束剛度比，長細比，溫度分布情況等對鋼柱屈曲溫度和破壞溫度的影響，以及對受約束鋼柱彎扭屈曲性能的影響。依據(jù)大變形狀態(tài)下梁柱彎曲理論，建立了受約束鋼梁在火災下的理論分析模型，以節(jié)點轉(zhuǎn)角和弧線坐標作為基本參數(shù)，并考慮截面溫度分布情況，求解鋼梁在火災升溫全過程下的軸力發(fā)展，軸向變形，撓度變形和鋼柱扭轉(zhuǎn)變形等。在試驗研究、理論分析和有限元參數(shù)模擬的基礎上，建立了受約束鋼柱在升溫下屈曲溫度和臨界溫度的簡化計算方法。建立了更準確可靠的鋼柱抗火分析理論。 在上述研究的基礎上，發(fā)表論文16篇，出版專著1部，申報國家專利2項。培養(yǎng)碩士研究生4名，其中1名已畢業(yè)，另3名將與2014年6月畢業(yè)。 2100433B

研究不同受火時間后約束鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件的抗剪性能，揭示受火時間、構(gòu)件端部約束、荷載比等因素對全過程火災作用后鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的影響特點。建立火災后約束鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的數(shù)值分析模型,并開發(fā)相應的全過程分析程序。分析總結(jié)高溫下相鄰構(gòu)件之間的相互作用對高溫后鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的影響規(guī)律，建立火災后約束鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件殘余抗剪承載力的實用計算方法。在考慮高溫下內(nèi)力重分布過程對構(gòu)件損傷作用的情況下，研究并提出火災后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力(含軸力、彎矩和剪力)的簡化計算方法。針對高溫下結(jié)構(gòu)中構(gòu)件受到相鄰構(gòu)件的約束會影響其高溫后力學性能的特點，本項目可以填補火災后約束鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能研究的空白，為火災后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評定、抗剪加固奠定基礎，為相關規(guī)范的編制提供科學依據(jù)，因而具有重要的理論意義和明確的應用前景。