（固体力学专业论文）钢筋混凝土板在高温条件下温度场的计算和应用.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 钢筋混凝土作为一种主要的结构工程材料，由于其技术和经济上的特点， 在各个工程领域中得到越来越广泛的应用。随着国民经济的不断发展，建筑火 灾造成的危害也越来越大，而钢筋混凝土结构且前是我国建筑工程中应用最为 广泛的结构形式，对钢筋混凝土结构抗火性能的研究是非常有实际意义的。钢 筋混凝土结构构件的抗火研究是结构抗火研究的重要基础之一，钢筋混凝土楼 板作为水平承重构件，在火灾发生时，是受火最为严重的构件，因此，研究其 在火灾情况下的受力性能是非常必要的，而目前国内外在这方面的研究较少。 在火灾过程中受火建筑构件除承受一般工业与民用建筑结构荷载外，更重 要的是要承受温度荷载。本文在国内外学者对于钢筋混凝土材料在高温下的热 工性能的理论和实验数据的基础上，采用大型有限元通用软件a n s y s 进行温度 场模拟，利用规范给出的构件承载力计算方法，推导出对边简支的钢筋混凝土 单向板在i s o 标准升温曲线的作用下的极限抗弯承载力，进而推导出将火荷载 等效的转换为等效活荷载的公式，从而比较简明的描述了火灾过程中钢筋混凝 土板的弱化过程。我国现行的结构抗火设计方法采用基于标准升温曲线的实验 校核法，它规定了建筑物的耐火等级，而建筑物的耐火等级决定了构件的耐火 极限。设计构件的耐火极限由采用标准升温曲线的实验校核。该方法理论简单， 但却严重脱离实际。标准升温曲线不能代表实际火灾升温曲线，大部分情况下 相差甚远。本文的计算方法对于升温曲线的要求较低，对任意的升温曲线都可 以简单的计算。 关键词：火灾；钢筋混凝土板；承载力；等效活荷载 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sam a i nk i n do fs m m u r a le n g i n e 啦m a t e r i a l ，l 陀i n f o r e e dc m c i 咖h a s a l r e a d yb e e nu s e d 、】1 7 i d e l yj nm a n ye n g i n e e r i n gf i e l d sa si t s t e c h n i q u ea n de c o n o m y f 昭t u r e s m m u r ef i r eh a z a r de a u s e am o r ea n dr e o r ed a m a g ea st h ec 0 l i | 1 u o u s d e v d o p m go f n a t i o n a le c o n o m y hn o w a d a y s , t h er e m f o r c e dc o n e r e t es t r u c t u z ei s o n eo ft h em o s t 丽d e l yu s e ds m l e t u r ef o r m t h er e s e a r c hi nt h e 糟i n 触e dc o n c r e t e s l m e t u r e sr e s i s t a a e et oh i 曲t e m p e r a t u r ei sv e r ys i g n i f i e 砒i v e 低r e s e a r c hi n r e i x a f o r c e de o n 凹e t ec o m p o n e n 协r e s i s t a n t ob i 出t e m p e r a t u r ei so n eo fi m 删 f o 珊d a t i o ao fs t r u e t m a lr e s i s t a i l c et of i r eh a z a r dr e s e a r e h 缸t h eh o i i t , o ns u p p o r t i n g 觚r e i n f o r c e dc o n c 眈f l o o ri sr e s 证t h eg r e a tm a s so f t h e 缶ch a z a r dd a l l l a g e s o t h er e s e a r c ho fi ti sv e r yi m p o 僦b mt h e 糟s e a r e hj nt h i sf i e l d 雏p r e s e n ti sn o t 锄o u g b ， mf i r eh a z a r dc o u 雠，t h ec o m p o n 钮b 蝴r e s i s tt h ef i r eh a z a r d 曲nn e e dt o b e a rn o to n l yt h eg e n e r a li n d u s l r i a la n dc i v i l i a nc o n s i n l c t i o n s l o a db u ta l s ot h e t e m p e r a t u r el o a d t h i sa r t i d eh a sq l 删t h ed o m e s t i ca n df o r e i 弘s c h o l a r sl f e s e a r e h i nt h er c i n f o r c e dc o n e r e t em a t e r i a l 曲d 盯h 砂t e m p e r a t u r ew o r l d r i gp e r f o r m a n c e t l o r y , u s e sl a r g e s c a l e 丘n i t cd e m e n tc o l l l m o ns o t l w a r ea n s y st o 饯田yo nt h e m n p e r a t m f i d d s i m u l a t i o n ，删u c e s t h e c o m p o n e ms 啪o r t i n ge a p a c i 移 c o m p u t a t i o n a lm e t h o du s i n gt h en o r m , i n f e r st h eo p p o s i t es i d es i m p l es u p p o r tt h e r e i n f o r c e da 眦l c t eu n i d i r e c t i o n a lb o a i di nu n d e rt h ei s os t a n d a r de l 钾盔i o no f t a n p e r a t mc i l r 矿ef i m c d o nl i m i ta m i - e u r v e ds u p p o r t i n gc a p a e i t y , t h e 虹i n f e r s 伍ef i r e l o a dc q i l i v a l e mi r a n s f o r m a f i f o rt h ef i v el o a df o r m u l a , t h 鹏i nq 曲皓o o n c i s c d e s c r i p f i o nf i r ep r o c e s ss t e e lb a rc o n c r e t es l a ba t t e n u a t e dp r o c e s s c k i n e s ep r e s e ts t r u c t u r ef i r er e s i s t a n c e 缸i g nm e t h o du s e sb a s e do nt h e s t a n d a r de l 删o no ft e m p e r a t u r ec u r v e 麟p e r i m e n te x a m i n 髂t h el a _ 帆i tl u l s s l i p d a t e dt h eb u 她f i r e p r o o fr a n k t h eb u i l c u n gf i r e p r o o fr a n kh a sd e c i d e dt h e c o m p o n e n tf t r e p r fl i m i t d e s i g n st h ec o m p o n e n tt h ef i r e p r o o f l i m i tb yt ou s et h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s t a n d a r de l e v a t i o no f t e m p e r a t u r ee 1 1 r v et h ee x p e r i m e n t a le x a m i n a t i o n t h i sm e t h o d t h e o r yi ss i m p l e , b u ts e r i o u s l yd i v o r c e df r o mt h er e a l i t ya c t u a l l y 1 1 碡s t a n d a r d e l e v a t i o no ft e m p e r a t u r ee u r c ee a m a o tr e p r e s e n tt h ea c t u a lf i r ee l e v a t i o no f t e m p e r a t u r ee l l r v e i nt h em a j o r i t yo fs i t u a t i o n s 勰f a rf i - o mp r a c t i c e t h i sa r t i c l e e d u c e sac o m p u t a t i o n a lm e t h o dt h a ti sl o wr e g a r a h a gr e q u e s tt h ee l e v a t i o no f t e m p e r a t u r ec u r v e ，t oa n ye l e v a t i o no ft e m p m t mc a l l v em a yb et h es i m p l e c o m p u t a t i o n k e yw o r d s ：f i r e ；r e i n f o r c e dc o n c r e t eb o a r d ；s u p p o r t i n gc a p a c i t y ；e q u i v a l e n tl i v e l o a d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。对本本的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：蚕煎； 日 期：枷。锌占月3 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钢筋混凝土材料耐火性能研究目的 1 1 1 钢筋混凝土材料耐火性能研究目的 火灾给人类生命和财产带来了极大的损害。以1 9 3 3 年日本关东大地震为 例，东京和横滨两城市除直接震害外，次生火灾引起的损失惨重。在东京市区 烧毁面积为6 0 、横滨市区烧毁约为8 0 ，死亡人数达l o 万之多。近年来， 世界上火灾发生的频率及其造成的损失有增无减。在我国，近1 0 年来，全国火 灾时有发生，共发生火灾4 1 万起，死伤6 万多人，直接经济损失人民币2 9 亿 元。因此，工程结构的抗火研究是一项十分紧迫的任务，已经引起国内外的当 局与学者的重视【l 】。按照国家标准( g b 8 6 2 4 _ - 8 8 ) 规定，混凝土属于不燃建筑材 料。在火灾中不燃烧、不发烟、不产生有毒气体。但是，如果建筑物发生火灾， 其结构的材料性能会严重恶化，还将发生剧烈的内应力重分布，使混凝土的性 能大大削弱，危及建筑结构的安全性，甚至酿成严重事故【”。 近年来，我国建筑业普遍沿着多层、高层结构迅速发展，钢筋混凝土结构 和预应力混凝土结构得到了广泛采用。可是据现有的统计资料指出，建筑物发 生火灾的次数也在逐年增多，给人民的生命财产造成严重的损失。结建筑物本 身的结构造成了不同程度的损伤【3 j 。虽然预防火灾发生的手段愈来愈先进，但 随着社会的进步，城市人口的不断增加和建筑物的日益密集，特别是高层建筑 的迅速发展，火灾仍然不断地发生。一旦建筑物发生火灾，如果建筑物没有良 好的抗火性能，必将使国家财产和人民生命蒙受巨大的损失。因此，为了避免 或减少不必要的损失，在加强建筑物防火的基础上必须使其具有很好的抗火性 能【4 j l e a 和s t r a d l i n g 早在1 9 2 2 年发表研究成果到现在已经有8 0 多年的时 间。在这期间，对于钢筋混凝土材料的高温性能，钢筋混凝土构件以及结构的 抗火能力，火灾后钢筋混凝土结构损伤评估以及灾后的加固修复，都做了许多 试验研究和计算分析瞄l 。现今，各国都有建筑设计防火规范、如我国的 g b j l 6 8 7 ，但是结构的抗( 耐) 火设计和分析还没有成熟的方法，主要依靠经验 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和构造措施加以解决【6 j 。 1 1 2 混凝土及钢筋混凝土的使用历史 混凝土材料大量用于结构工程只有百余年的历史，至今已成为世界上最广 泛的主要建筑结构材料，自然有其必然的原因。由于混凝土制作的快速，简便， 价格低廉，抗压强度高，材料稳定，抗火，抗腐蚀和耐久性尤佳。另一方面， 混凝土因其材料组成和构造的原因具有非均质，非线性和非各向同性等性质， 还因混凝土内部微裂缝的存在和发展，力学性能随时间和环境而变异，使混凝 土的强度和变形状态十分复杂。实际的混凝土结构中，混凝土的应力状态复杂 多变，因而有不同的强度和变形值，其中最简单、最基本的当然是单轴受压和 单轴受拉状态。现今，我国的混凝土结构设计规范中混凝土的强度和变形性能 指标，都是以单轴受压和受拉的实验结果为基础的，给定的本构关系是简单的 线弹性关系。 钢筋混凝土结构的出现约有百年的历史，但是，在这短短的1 0 0 年中，作 为一种新型的材料，在建筑的各个领域却取得了飞速的发展和广泛的应用，由 于混凝土材料抗拉强度只是抗拉强度的1 1 7 1 8 j 其抗拉能力是很弱的，但 当混凝土中配有钢筋时，若受拉区混凝土是受力开裂，裂缝截面的受拉混凝土 虽然不能在承担拉力，但拉力可转化由钢筋承受，因此，钢筋混凝土受弯构件 不会象纯混凝土受弯构件那样发生脆性断裂，而且，还可以继续增加外荷载， 有利于受拉构件钢筋应力达到屈服强度，并使受压区混凝土的抗压强度也得到 充分利用，这时受弯构件承载能力大大的提高了。 1 1 3 钢筋混凝土材料性能在受火时下降的原因 钢筋混凝土结构遭受火灾时，不仅其钢筋和混凝土材料本身性能发生恶 化，如随温度升高的体积膨胀、强度下降等，从而引起结构构件刚度降低、挠 度加大，表面龟裂、甚至酥松、保护层脱落、钢筋外露及蜕皮、截面变细等现 象，而且由于混凝土传热性能差，结构构件截面将产生不均匀的温度场而引起 截面的温度应力和构件的弯曲变形。另外，混凝土受热膨胀，沿结构构件轴向 将产生伸长变形【7 】。火是一种典型的氧化作用，伴随着热量的提高，火势的发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展通常与热量的释放和消失的速度有关。在一场火灾中有许多因素影响着温度 的高低和分配。结构抗火的深入研究涉及到结构、建材、热工、机械等诸学科。 二疋灾时，火温通过热传导，热辐射和热对流三种方式作用于结构。一般情况下， 二j ( 温通过热辐射、热对流传递给结构边界面，结构内部主要以热传导的方式传 递温度【8 】。高温作用不仅使结构形成非均匀温度场，改变其内力和变形状态， 而且使混凝土本身的材料性能发生蜕变。研究表明，高温时混凝土的弹性模量和 变形模量，与常温混凝土的相比近似成线性随温度升高丽衰减p l 。火灾时混凝 土被短期加热，其抗压强度、弹性模量随着温度升高而降低。根据大量的试验 表明引起抗压强度的变化主要有以下几个因素，水灰比：骨料形状和尺寸； 试验方法等因素i j 0 1 。在一般的钢筋混凝土构件中，常用的钢筋主要分为预应 力筋和非预应力筋。高温( 火条件) 下，钢筋的强度和变形性能的变化必然影响 钥筋混凝土结构的受力性能。特别是预应力混凝土结构，一旦发生火灾，就会 因为钢筋在高温下的短期徐变比常温下要大得多，而且在较高温度和较高应力 水平下的钢筋短期徐变将趋向于不稳定状态，致使结构的变形量增大等原因， 而将引起预应力高强钢筋( 丝) 的预应力丧失，钢筋( 丝) 的强度显著降低，结构 的承载能力严重受损( t l j 。 建筑物发生火灾时，一般都承受了一定荷载当其荷载保持不变时，它的 形变值将随火灾作用时问而变化，甚至可能因此而倒塌，材料的这种与时间( 和 温度) 有关的变形形态，体现了材料粘塑性性质大多数材料( 如高温下的金属、 混鳜土、粘土、岩石类等) 都具有这样的性质f 1 2 】。 1 1 4 - 钢筋混凝土耐火性能的研究方法 高温下钢筋混凝土构件的强度和变形规律是了解和分析高温下钢筋混凝 土结构的基础。因此，很多研究者对高温下钢筋混凝土试件的性能进行了大量 的试验研究，研究的内容涉及板、梁、柱以及超静定结构如连续梁和框架等。 为了给高温后钢筋混凝土结构的损伤评估和修复加固提供依据，一些研究者还 对高温后钢筋混凝土梁、柱和框架等进行了承载力试验和修复加固试验1 1 3 】。 计算结构防火承载力的常用方法是耐火试验，它一般可定义为在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i s 0 8 3 4 ( 1 9 8 5 ) 标准升温曲线的火炉中，不丧失承载力所能持续的时间。由于耐 火试验不仅费钱费时而且不易推广到其他不同条件下的情况，近年来用数值 方法来预测结构的防火承载力得到了广泛的发展。 1 2 建筑物耐火性能研究的科研进展 1 2 1 构件在高温下温度场的研究进展 要研究钢筋混凝土构件在高温下力学性能的劣化规律，温度场的研究是十 分必要的。文献【3 l 根据工程传热学的基本原理，对钢筋混凝土板热传导和对流、 辐射共存的第三类边界条件进行了讨论和分析，提出了钢筋混凝土板上、下表 面总换热系数a ，的计算公式，并用有限差分法对混凝土板高温温度场进行了数 值计算分析，理论计算结果与试验值吻合较好，满足工程实践的要求。文献【1 4 】 利用有限差分法确定了火灾时钢筋混凝土板的温度分布，并基于塑性铰线理论 确定了火灾时钢筋混凝土方板的破坏机制。根据高温下混凝土和钢筋的力学性 能对火灾过程中塑性铰截面的弯矩及板的极限荷载进行了分析，可为建筑结构 的耐火设计提供依据。文献【1 5 】利用一维非稳态差分方法分析了火灾温度作用时 钢筋混凝土板内部温度场分布，根据混凝土和钢筋在不同温度的本构关系及强 度变化，对钢筋混凝土板进行了非线性分析，该文所得的温度场和荷载挠度 曲线计算结果与试验结果吻合较好。文献唧在进行了火灾条件下钢筋混凝土简 支板足尺试验的基础上，着重对钢筋混凝士板温度场的分布规律、保护层厚度、 配筋率对钢筋混凝土简支板变形的影响进行了分析。文献n 7 1 介绍了两种不同方 法，一种是对f o u r i e r 热传导方程进行简化数值求解，其适用范围是矩形钢筋 混凝土截面，优点快速简单；一种是考虑材料热工参数随温度变化，考虑对流 和辐射，对热传导平衡方程进行非线性有限元求解，其适用范围是钢，混凝土 和组合构件，对不同边界条件，精确度较高。文献【l b l 通过对梁截面进行离散化， 采用结构分析方法、分析了钢筋混凝土梁处于火灾高温下截面的应力、应变状 态，并在此基础上提出了梁截面极限弯矩计算公式，为代替梁标准耐火试验确 定耐火极限和火灾后鉴定修复提供了依据。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 构件在高温作用下本构关系的研究现状 构件在高温作用下其本构关系将发生变化，国内外学者对此进行了大量的 理论和实验研究，得到了许多有用结论。文献【1 】对3 0 个混凝土t 形截面柱体和 4 0 根钢筋试件在常温以及1 0 0 - - 8 0 0 c 范围内的不同温度和荷载同时作用下的 强度、变形、弹性模量和应力应变关系等进行了实验和理论研究工作。探讨 了高温和荷载共同作用下的变化规律，着重分析了不同温度和荷载共同作用下 的破坏特征，及其对钢筋和混凝土的弹性模量、极限拉压应变、强度等的影晌 和应力应变关系，经过理论分析和推导建立了简洁实用的公式，并通过计算， 表明计算与试验结果符合较好。此外，该文也讨论了钢筋试件在受不同温度作 用后，进行冷却一昼夜，然后再进行加载的情况。时旭东，过镇海i ”1 在分析试 验获得的不同恒定温度下混凝土应力一应变曲线的基础上，通过假定，提出了 映射温度流动路径，给出了具体的计算公式，并进行了试验验证。结果表明， 理论计算结果和实测结果符合较好。 1 2 3 高温作用对材料性能的影响的研究进展 要研究建筑物的耐火性能就不能不研究构成建筑物的各种材料在高温( 火 灾) 条件下的力学性能。文献【5 】分析了影响高温加热循环中混凝土抗压强度的 因素，包括材料组成和外部环境的影响，以及混凝土微观结构随温度的变化和 破坏机理对混凝土在火灾温度下的行为做了探索，为今后钢筋混凝土构件和 结构的设计及灾后处理奠定了基础。文献【l ”从高温( 火条件) 下及高温后普通钢 筋、预应力钢筋及混凝土等结构材料在材料性能退化规律的研究成果方面进行 简要的介绍，为进一步研究新型钢筋混凝土结构的抗高温( 火灾) 性能及其损伤 评估提供了参考。文献1 2 ”中对混凝土、钢筋及预应力钢筋的高温性能进行了分 析研究，提出了不同温度下各种材料强度及弹性模量的计算公式；并对钢筋与 混凝土的粘结进行了分析。提出了相应的计算方法。文中公式可用于防火设计 和灾后承载力估算。文献瞄j 扼要地介绍了高温下及高温后普通钢筋、预应力钢 筋及混凝土等结构材料的物理力学性能退化规律，为进一步研究混凝土及预应 力混凝土结构的抗火性能及火灾后损伤评估与修复方法提供了部分参考资料， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 明确了预应力材料抗火性能须进一步研究的内容。 1 2 4 关于构件力学性能的分析 研究建筑物的耐火性能除了要研究材料性能外，构件在高温下力学性能的 变化也同样是研究的重点。文献田1 对三面受火( 底面和两侧面) 的钢筋混凝土两 跨连续梁进行试验，分析其破坏机构和内力重分布规律，为正确地评估火灾下 建筑结构的耐火性能和损伤程度，确保其安全性和给出合理的灾后修复措施提 供依据。文献【7 】通过五榀三面受热的钢筋混凝土门式框架的试验，分析了高温 下框架的变形和内力重分布规律、破坏特征以及极限承载力。结果表明，高温 下框架结构的塑性铰出现次序、位置、以及破坏机构和极限承载力等与常温下 的显著不同。内力在整个升温过程中经历了剧烈且复杂的重分布过程。文献例 对1 2 根三面加温( 8 0 0 4 - 5 0 ) 的钢筋混凝土压弯试件进行了不同升温加载途径 的试验。研究了先升温后加载( t _ n 途径) 与先加载后升温( n _ t 途径) 两种途 径下试件耐火性能的差别。在理论分析上，通过增量法非线性分析程序计算了 试件截面的温度曲率、荷载一曲率关系及其极限耐火能力等，并由试验数据所 验证。 1 2 5 一些关于具体构件的研究成果 周新刚，张林成【9 】利用高温时混凝土的应力_ 应变关系及在高温时与常 温时的混凝土力学指标之间的关系、对钢筋混凝土受弯构件的受力性能进行了 j e 线性分析。并讨论了温度对截面屈服弯矩、曲率等的影响。分析表明，由于 高温时混凝土的软化，钢筋混凝土受弯构件的变形性能发生显著变化。文献i ”l 根据p e r z e n y 粘塑性模型，应用参变量变分原理，建立了高温( 火灾) 下混凝土 结构分析的全藕合变分原理，给出了原理应用的有限元列式。该原理具有明确 的物理意义，表达形式规范，可以用数值计算方法实现，为混凝土结构在高温( 火 灾) 下考虑损伤累积的分析提供依据。文献【1 9 1 中分析和探讨了荷载、高温等因 素对钢筋混凝土梁的强度、变形和裂缝等性能的影响。研究表明，受较大荷载 作用的梁，在经受较高的温度以后，强度与变形等力学性能将有较大的改变。 支献啪l 在试验研究的基础上，采用非线性有限方法，着重研究钢筋混凝土梁在 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 二欠侵袭作用下其温度和挠度的反应，提出了一种理论分析方法，编制了计算机 程序，对钢筋混凝土梁的温度、挠度和内力的反应进行了计算，并得到了试验 结果的验证。 1 3 本文所引用的一些试验结果 文献【2 】将国内外一些学者对高温后混凝土力学性能的试验进行了分析和 对比。探讨了混凝土抗压强度和抗拉强度在不同受热温度下的变化规律，得出 如下结论：抗压强度在3 0 0 c 前衰减不明显，3 0 0 一8 0 0 是抗压强度衰减的 主要温度段，8 0 0 衰减为常温的3 0 ；抗拉强度在3 0 0 前衰减明显，3 0 0 1 2 时衰减为常温的5 0 ，8 0 0 时衰减为零。文献【4 】通过1 2 根三面受火的钢筋混 凝轴心受压柱在不同温度( 2 0 - - - 9 5 0 c ) 下的试验，分析了其强度和变形规律。 鲐果表明，不均匀受火的钢筋混凝土轴心受压柱的破坏形态和特征与常温下的 截然不同，都是小偏心受压破坏，而且其受力性能与预加荷载水平、温度值和 荷载温度途径等密切相关。文献【6 】介绍钢筋混凝土材料及其构件和结构在高温 ( 火灾) 下受力性能的试验研究概况。给出的主要研究成果和重要现象有：标准 韵火灾升温时间曲线；构件截面上的温度分布；高温下混凝土和钢材( 筋) 的 强度和变形性能的劣化规律；混凝土的温赛一应力耦合本构关系；受弯构件、 轴心和偏心受压构件在四面受火和三面受火情况的主要性能，包括破坏特征、 极限承载力和耐火极限、变形、荷载温度途径的影响以及各种影响因素的分 析等；连续梁和框架等超静定结构的高温性能，包括破坏特征和机构、塑性铰 酌特点、内力重分布过程以及极限承载力和耐火极限等。文献嗍对“1 根钢筋混 凝土简支粱进行了一面、二面、三面加温的抗火性能试验。研究了不同的荷载、 升温曲线、钢筋保护层厚度对简支梁抗火性能的影响。在理论分析上，提出了 各种温度场下的弯矩一曲率关系，编制了变刚度有限元非线性全过程分析程序， 分析计算了钢筋混凝土简支梁的内力、挠度的反应，并由试验数据所验证。文 献f l q 进行了3 0 个混凝土试件以及3 0 根钢筋试件在高温中的强度、弹性模量和 应力应变关系试验；还进行了4 0 根钢筋混凝土拔出试件在高温下及冷却后 的粘结滑移试验，并研究了它们的本构关系。这对研究在火灾中钢筋混凝 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 土截面的应力重分布和弯矩重分布是很重要的。李卫，过镇海1 主要介绍了混 凝土高温力学性能试验的设备配置、量测技术和试验炉( 2 0 - 9 0 0 ) 的研制， 以及对不同强度等级和粗骨料种类的四种混凝土进行的五项高温性能试验结 果。后者包括高温时的抗压强度、升降温后的残余抗压强度、持续高温下的抗 压强度、高温时的抗拉强度，以及高温时的受压应力应变全曲线等。试件总 数为2 1 3 个。通过试验分析了高温下混凝土性能的变化规律和机理，并给出了 建议的各项计算公式。文献是关于三面受火的钢筋混凝土轴心受压柱在不同 温度( 2 0 9 5 0 ) 下的试验研究。1 0 根试件的试验结果分析表明，不均匀受火的 银筋混凝土轴心受压柱的破坏形态和特征与常温下的截然不同，都是小偏心受 压破坏。文献1 2 7 】通过对5 根钢筋混凝土简支梁进行的高温试验研究，得出了不 同混凝土厚度保护层试件的高温强度和变形值，分析和比较了钢筋混凝土的耐 火性能。陈礼刚近似模拟了国际标准组织( i s o ) 提供的理论试验曲线( 标准时间 一温度升温曲线) 来确定火灾温度，为此，设计并制作了燃油火灾试验炉。水平 炉的温度采用w r m - b 2 一n 型热电偶量测，每个炉膛各设置五个温度测点。温度 采集装置为惠普数据采集仪a g i l e n t 3 4 9 7 0 a , h p 3 4 9 0 8 a ( 4 0 信道单端多路转换 鬈) 。考虑到火灾下，结构在火灾发生的过程中有升温和降温的过程，因此对每 纽试件都进行了升温和降温的全过程的观察和量测。由于实验条件的限制，该 文没有进行简支板的灾后残余承载能力试验，仅对钢筋混凝土简支板的变形、 截面温度分布等进行了分析，考虑了保护层厚度、配筋率、混凝土强度等级的 影响。考虑到足尺试验的工作量及试验的难度，每种情况仅制作了一块试件。 试验过程中，由于开始试验时，对试验炉的控制不熟练，b - 1 试验失败。在火 灾中，板通常是单面受火，因此，该文也仅对钢筋混凝土简支板进行单面受火 试验并得出以下结论：1 ) 单面受火的钢筋混凝土板沿截面厚度方向的温度呈非 线性分布，温度梯度随受火面温度的增加而不断变化，沿截面高度方向产生了 一个变化的温度场。2 ) 保护层厚度对构件的耐火性能有一定影响。增加保护层 厚度，能提高钢筋混凝土简支板的抗火能力。3 ) 纵向受力钢筋的配筋率对构件 的耐火性能也有一定影响。增加受力钢筋配筋率，能提高构件的抗火能力。4 ) 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 钢筋混凝土简支板受火时，在荷载不变的情况下，其变形随温度的增加而显著 增大。火灾后，其变形随湿度的降低有一定程度的恢复，但仍有较大的残余变 形。5 ) 火灾下板的跨中浇度在降温的过程中，并不随炉温的降低而迅速减少， 在降温开始阶段，挠度回复存在滞后现象。6 ) 从板的变形恢复情况来看，增加 构件的配筋率提高构件的抗火能力最有效，其次是增加构件的保护层厚度。 1 4 论文的研究内容 1 推导高温下钢筋混凝土板的极限承载力公式。 2 分析温度、时间与结构承载力之间的关系，推导出一个可将受火时间转 换成为附加荷载的计算公式。 3 在得出的极限承载力公式的基础上将公式尽可能简化。 4 。将所锝结果与已有的实验相比较验证计算的正确性。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章钢筋混凝土板内温度场 2 1 概述 在某一瞬间，空间各点温度分布的总体称为“温度场”。它是以某一时刻 在一定时间内所有点上的温度值来描述的，可以表示成空间坐标和时间坐标的 函数。在直角坐标系中，温度场可表达为： t = f o ，y , z ，f ) ( 2 1 ) 若温度场各点的值只是一个空间坐标的函数，则称为一维温度场，如： t = 厂( 力或t = f ( x ，r ) ( 2 2 ) 若温度场是两个空间坐标的函数，则称为二维温度场，如： t = f o ，y ) 或t = 厂 y ，f ) ( 2 3 ) 若温度场是三个空间坐标的函数，则称为三维温度场。 钢筋混凝土构件在火灾时的导热属不稳定导热，构件内部温度场称为不稳 定温度场。 计算在火温下温度场的分布是钢筋混凝土防火工程及设计中非常重要的 一步。钢筋混凝土结构主要是由梁、柱、板三大部分组成，火灾时或火灾后梁、 桩、板的受荷行为对结构的可靠性有很大影响。在火灾过程中受火建筑构件除 承受一般工业与民用建筑结构荷载外，更重要地要承受温度荷载。在板的温度 荷载的研究中，最重要的是研究构件内不同混凝土保护层的钢筋升温速率的研 究。 2 2 板内温度场的计算方法 2 2 1 升温曲线和温度场 文献2 1 指出：火灾对混凝土的高温作用主要体现在升温一时间曲线上， 而高温下混凝土的受力性能主要取决于混凝土的热工特性和混凝土的截面温度 分布。因此，确定火灾升温雎线和混凝土的温度场是研究混凝土抗火性能的基 础个空间发生火灾后，空间内各点的温度并不相同，可燃物周围的火焰附 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近温度最高，远处的温度逐渐降低。由于热气流上浮，房间上方的梁、板等水 平构件的底霭附近形成一个温度较高的热气流层。墙和柱等竖向构件的侧面附 近，也将形成一个热气流层。这些结构构件周围热气流层的温度值及其分布的 均匀性，取决于室内可燃物的位置和分布、燃烧时间以及气流方向等。火灾温 度就是指这些热气流层的温度，一般假定气流层内温度均匀，只是燃烧时间的 函数。 有鉴于建筑物火灾的复杂性，许多国家的有关研究机构和学术组织相继制 定了标准的火灾温度一时间曲线，以便对建筑结构提出统一的抗火要求，并作 为建筑构件抗火试验的依据。这些曲线都是明显的单调升温过程，在起火3 0 r a i n 内升温极快，此后升温速度降低，但没有降温阶段。这些标准的升温曲线除个 别夕 都很接近。 实际火灾一般经历成长期、旺盛期和衰减熄灭期等三个阶段，相应的火灾 升温曲线与许多因素有关，如火荷载( 可燃物) 的密度、燃烧性能及其分布；房 间的构造、尺寸、形状及其通风，室内表面的热物理性能等。一次火灾的典型 涅度一时阃曲线见图2 1 ，要完全淮确地预先描述火灾温度与延续时同的关系 曲线是困难的。为了统一评价结构和构件的抗火性能，许多国家或组织根据实 际调查和模拟火灾试验，给出升温曲线的相应计算公式。1 9 9 0 年国际标准化组 织( i s o ) 给出的标准温度一时问曲线如下： t = 3 4 5 l o g l o ( s t + 1 ) + 2 0 ( 2 4 ) 其中t - - 一：k 灾温度或试验炉内平均温度( ) ； t ：j 6 ，其中1 为板短边，6 为板厚) ， 可近似视为无限大薄板，沿板面的两个方向可以认为温度t ，与板面位置x 、y 无关，横向传热可略去不计，可作单向传热处理，即t 仅与板的厚度6 ( z ) 有 关。 混凝土构件断面内的温度分布，如不考虑它的质量传导，可用热力学能量 守恒定律推导出热传导方程： a 窘+ 矿0 2 t + 窘卜叩c 詈 c z 吲 其中x 为热传导率，p 是密度，c 是比热，q 是体内热源。上式即为物体 的导热微分方程。导热微分方程揭示了空问和时间领域内各点的温度场变量的 内在联系，是存在物体内的各种导热现象必须遵循的客观规律。导热物体内各 种温度场。都必须满足导热微分方程。但是，导热微分方程并不能给出各个具 体的存在于导热体内的温度场，只有具备足以使所研究的具体导热问题能单一 确定下来的各种条件时物体内温度场才能唯一确定。这种条件在热力学中称为 。单值性条件”。具体包括以下几个条件：几何条件，即物体的形状和尺度：物 哈尔滨工程大学硕士学位论文 性条件，即材料的热物理性能，分为常物性和变物性两类：时间条件，指的是 已知某一时刻导热物体的温度分布。有两种不同的分析类型，一种是温度场不 随时间而变化，整个导热问题退化为求稳定温度场的问题，又称稳态导热。另 外一种是温度场随时间变化，给出某一瞬间物体内各点的温度，称为瞬态导热。 铜筋混凝土结构抗火分析一般是瞬态导热：边界条件，即物体边界上的换热条 件，反映了物体的热传导过程与周围环境相互作用的条件。常见的边界条件主 要有三种：第一类边界条件是已知任何时刻物体边界面的温度值：第二类边界条 件是已知任何时刻物体边界面上的热流通量值；第三类边界条件是已知与边界 面直接接触的流体温度和边界面与流体之间的换热系数。 着定义口2 纥c ) 并假设q = o 可得： 口偿- 2 - 5 - + 宴+ 箕1 ：翌 ( 2 - 9 ) 口【掰一+ 可+ 万j _ 百 2 州 其中系数口、p 、 和c 统称为热工系数。 板内一维变物性的热传导偏微分方程可写为： p c c ( r ) 詈= 舡罢i ( 2 - 1 0 ) 其中p c 。口) 疋( f ) 分别为混凝的热传导系数和热容量。 用方程( 2 - - 8 ) 计算钢筋混凝土板内温度场分布时，忽略了混凝土内部气体 流动的影响，据相关资料可知，当截面内钢筋的最大配筋率见s4 时，钢筋 对板内温度分布的影响不大，一般来说，钢筋混凝土板中的配筋率远小于4 ， 故在计算时完全可以忽略钢筋对板内温度分布的影响。 。 初始条件：r ( z ，f ) ，。= 矗o ) ( 2 - 1 1 ) 边界条件：如图2 3 直角坐标系t 乞所示，据单向传热的傅立叶定律 和牛顿公式可得钢筋混凝土板上、下表面和第三类边界条件分别为； 。= 船 r c z , t k 嘞】( 2 - 1 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 滢) ：。= 酱忆吼。一】( 2 - 1 3 ) 试中a ( r ) 、吒；口) 分别为混凝土板上下表面的总换热系数。 乃。、为与混凝土上下表面接触处介质的温度。 图2 2 板的直角坐标系图2 3 t z 坐标及边界条件 2 2 4 钢筋混凝土楼板的高温热常数例 对楼板而言，火从楼板下部作用，一面受热，内部温度场是时间和板厚 方向的函数。为了得到此分布，首先需确定板的高温热常数，以及计算扳受火 表面温度( 是时间的函数) 。文献给出了钢筋混凝土楼板的高温热常数： 容重：w = 2 4 0 0 k g ， 埘。 比热：c = o 2 0 幻卅姆c 导热系数：a = 1 3 4 0 0 0 1 0 8 0 导温系数：d = 7 5 + 1 8 6 占 对大构件 口= y 3 3 0 + 1 5 9 口 对小构件 其中：目为楼板自身温度 火焰热流体对楼板底( 受火面) 的综合换热系数西主要与火焰温度有关，也 与楼板本身的含水率有关，再考虑到火焰的热辐射影响，其值见表2 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 综合换热系数( 勋耐么：_ 1 1 。c ) 含水率5 7 ) 火焰 6 0 温度 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 2 0 0 c 口l 3456781 01 21 52 0 2 2 5 楼板受火表面温度计算 发生火灾时，火灾荷载燃烧产生的大量热量将全部为建筑结构四周所吸 收。受火建筑结构物就形成随时问而变化的非稳定对流和辐射综合传热与导热 的过程。板受火表面温度与板自身的介质、板的大小、火焰温度和火灾持续时 间等有关。 根据牛顿对热换热公式，对楼板有三种热流量传热过程，如图2 4 所示： l 船； 图2 4 热流量传递过程简图 第一种，火焰热流体传给楼板底面( 受火面) 的热流量： 1 7 哈尔溟工程大学硕士学位论文 q i 硼( 一无) 4 幻兹 ( 2 _ 1 4 ) 第二种，楼板直接受火面传给楼板顶面的热流量： ， q 2 = 砉( 瓦一矗) 4 幻噘 ( 2 1 5 ) 第三种，楼板顶面传给楼板顶面空气的热流量： q 3 = 口：( 巧一l ) 4 庇噘 ( 2 1 6 ) 这里： a 楼板受火面的面积( m 2 ) 火灾火焰气流温度( ) 五楼板底表面( 受火表面) 温度( ) 楼板顶表面温度( ) 7 l 楼板顶面空气温度( ) a 楼板导热系数( 缸d z l ，) 埘见l d _ 髅板厚度( m ) 盔火焰热流体对楼板底的综合换热系数( 勋：j z 。c ) 参见表2 1 一楼板放热系数( 勋： 。c ) 对不稳定的火灾热源有： 厮 吼5 、f 厂 c _ 比热c 砌1 1 k g ) 轷一材料容重( 8 矽，) m 。 t ：j ( 灾持续时间( h ) 火灾中，在微小的时间内，可认为热流量处于稳定状态。即热流体传给冷 流体的总热流密度和以上三种热流密度相等： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鼋= = = ( 2 - 1 7 ) 由( 2 1 4 ) 、( 2 - - 1 5 ) 、( 2 - - 1 6 ) 、( 2 - 1 7 ) 得： 瓦2 乙一k ( t b 一昂) 石 ( 2 1 8 ) 舯趾纸+ + ：) 黼烁甄嵌裆徽辨雌勃 1 时，在单位时间内通过楼板单每面积所传递的热量( 勋：矗。c ) 。 2 2 6 楼板内温度场的计算 对于楼板这样简单结构的内部非稳定温度场，可建立满足导热微分方程及 单值条件的数学分析解。 假设一面受火楼板的长度和宽度为无限大，其厚度为y = h ，此时可按半无 限大的平板来考虑。 假定板内初始温度均匀，设为t 。，且在火灾过程中，板只沿板厚度方向有 变化，并假设在火灾某一瞬间，板底表面( 受火表面) 温度瓦在热变过程中不变。 这样，板内温度场是火灾燃烧时间t 和板距受火面距离y 的函数，即： t = r ( y ，t ) ( 2 - 1 9 ) 根据傅里叶导热微分方程： o t ( y , t ) ：口掣 西 砂 其中，初始条件；t o , ，0 ) = t o 边界条件：t ( 0 ，t ) = 疋 型：0 ( t o 。o y o ，0 y h ，e r f ( x ) 高斯误差函数 e 瓣去p 一甜+ 喜剀 沿z s ， 2 3 高温下钢筋混凝土板内温度场的有限元解法 2 3 1 有限元法简介 自本世纪6 0 年代末以来，钢筋混凝士有限元分析方法发展迅速，并得到了 越来越广泛的应用。这个方法的优点是，可以对结构自开始受荷直到破坏的全 过程进行分析，可以获得结构从开始受荷直到破坏的受力性能的各种情况，包 括：混凝土塑性的影响、裂缝的形成和发展、钢筋和混凝土之间的粘结滑移、钢 筋的屈服与强度，以及混凝土压碎破坏等，从而可以对这些问题的本质迸行较 全面的分析和研究，确定结构的开裂荷载和破坏荷载等重要特性，为设计提供 可靠的依据。 钢筋混凝土结构有限元分析还可以改进试验研究方法并取代一部分试验。 必须指出对于钢筋混凝土材料和钢筋与混凝土之间相互作用的基本性能的试验 是有限元分析所无法取代的。事实上有限元分析的力学模型正是建立在这些基 本试验基础上的。但是对于各种具体结构，如钢筋混凝土梁、板、厚壁框架、 坝内埋管等的试验是可以用有限元分析来代替的，至少是可以部分代替。并且 有限元分析方法没有试验和量测手段的局限性，易于对影响结构性能的重要参 数作系统的研究，这是传统的试验方法所不能比拟的。 钢筋混凝土板的非线性分析方法主要有极限