約束作用下混凝土雙向板抗火性能試驗(yàn)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(zāi)行為，本項(xiàng)目開展約束作用下混凝土雙向板火災(zāi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析。 試驗(yàn)方面：通過十塊不同面內(nèi)約束工況混凝土雙向板火災(zāi)試驗(yàn)，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(yàn)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(zāi)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(yàn)板豎向變形，原因在于約束作用引起的P-δ效應(yīng)。 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(yàn)板進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了幾何(非)線性和混凝土膨脹應(yīng)變對約束試驗(yàn)板變形、彎矩分布和薄膜機(jī)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(yīng)變導(dǎo)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(fù)彎矩，且不利于板大變形階段受拉薄膜效應(yīng)發(fā)展；約束板火災(zāi)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(yīng)，提出鋼筋應(yīng)變差概念和應(yīng)變破壞準(zhǔn)則，結(jié)合板塊內(nèi)力平衡方程，建立常溫及火災(zāi)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(yīng)變差理論所得薄膜效應(yīng)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(guān)參數(shù)。 本項(xiàng)目研究成果可為實(shí)際工程中提高混凝土雙向板抗火性能提供參考。 2100433B

本項(xiàng)目擬利用試驗(yàn)爐，對面內(nèi)約束作用下鋼筋混凝土雙向板進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)；試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(yīng)的計算程序，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)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(zāi)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(zāi)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

在熱工指標(biāo)和受拉力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)測定的基礎(chǔ)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(zāi)反應(yīng)和抗火性能進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行基于損傷力學(xué)的非線性有限元理論分析。最后對火災(zāi)損傷后高性能混凝土剪力墻的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。 2100433B

采用試驗(yàn)與理論研究方法，對局部火災(zāi)下受約束鋼柱的受力性能、破壞準(zhǔn)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(jìn)行了研究。進(jìn)行了三組共9根足尺受約束鋼柱抗火性能試驗(yàn)，研究參數(shù)包括約束剛度比和截面溫度梯度等。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)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(yàn)證提供了試驗(yàn)依據(jù)。建立了受約束鋼柱受力分析有限元模型，利用本項(xiàng)目試驗(yàn)及國內(nèi)外其他試驗(yàn)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(zāi)下考慮截面溫度分布情況的鋼柱進(jìn)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(xì)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(zāi)下的理論分析模型，以節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角和弧線坐標(biāo)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(zāi)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(yàn)研究、理論分析和有限元參數(shù)模擬的基礎(chǔ)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(zhǔn)確可靠的鋼柱抗火分析理論。 在上述研究的基礎(chǔ)上，發(fā)表論文16篇，出版專著1部，申報國家專利2項(xiàng)。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(zāi)作用后鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能的影響特點(diǎn)。建立火災(zāi)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(yīng)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(zāi)后約束鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件殘余抗剪承載力的實(shí)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(zāi)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(xué)性能的特點(diǎn)，本項(xiàng)目可以填補(bǔ)火災(zāi)后約束鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪性能研究的空白，為火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評定、抗剪加固奠定基礎(chǔ)，為相關(guān)規(guī)范的編制提供科學(xué)依據(jù)，因而具有重要的理論意義和明確的應(yīng)用前景。