（固体力学专业论文）钢筋混凝土简支梁的抗火性能研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 建筑物发生火灾后，结构的力学性能如何变化一直是研究人员普遍关注的 热点问题。结构物在大火侵袭下，结构内部温度和结构挠度、内力将随时间发 生不断变化。由于火灾对建筑物的影响因素十分复杂，这些问题至今还没有得 到很好的解决。 近年来，国内外发表了许多有关高温下的混凝土的研究论文。然而想要定 性的比较他们所得的结果是非常困难的，这主要是因为他们各自利用了不同的 结构材料，还有不同的实验条件。另外，在高温下钢筋的力学性能是会受到限 制的。为了建立在高温下钢筋与混凝土的材料特性的数据资料，许多学者做了 一系列的有关材料的实验研究。其结果被用于非线性热传导分析和弹一塑性理 论分析，在实验中确定了物理特性和力学特性。 本文的主要工作就是分析钢筋混凝土梁在火灾时的基本性能和破坏形式， 给出梁的正截面承载力计算方法。具体方式是将梁截面离散化，利用了有限元 软件a n s y s 对梁进行了温度场的分析，求得在标准火灾升温条件下一定加热时 间截面的温度分布值，确定梁截面任意微元的高温抗压强度及某根钢筋在高温 时的屈服强度，由受压区混凝土应力的合力和受拉钢筋内力的平衡关系得到一 个有两个未知量的方程，通过试算法求得受压区高度，分析梁截面极限应力、 应变状态，由内力平衡条件求得截面极限弯矩。 关键词：火灾；钢筋混凝土；梁；承载力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sat o p i co fg e n e r a li n t e r e s tt h a th o wt h em e c h a n i cp e r f o r m a n c eo ft h e s t r u c t u r eh a sc h a n g e da f t e rt h eb u i l d i n gf i r e w h e nb u i l d i n gs t r u c t u r e se x p o s et o f i r el o a d s ，s t r u c t u r a lt e m p e r a t u r e ，d e f l e c t i o na n di n t e r i o rf o r c ew i l lr e s u l ti n c o n t i n u a lc h a n g e s ，w h i c hi sr a t h e rc o m p l i c a t e d h o w e v e r ，t h ee f f e c t so ff i r eo n b u i l d i n ga r er a t h e rc o m p l i c a t e da n ds t i l lu n s o l v e ds of a r m a n yi n v e s t i g a t i o n so nt h eh i g ht e m p e r a t u r eb e h a v i o ro fc o n c r e t eh a v eb e e n r e p o r t e d t h er e s u l t sr e p o r t e da r en o te a s yt oc o m p a r eq u a n t i t a t i v e l yw i t he a c h o t h e r ，b e c a u s eo fd i f f e r e n c e si nt h em a t e r i a l su s e da n dt h et e s tc o n d i t i o n s i n a d d i t i o n ，i n f o r m a t i o no i lt h eh i g ht e m p e r a t u r eb e h a v i o ro fr e i n f o r c i n gb a r s i s l i m i t e d t oe s t a b l i s had a t a b a s eo fm a t e r i a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t ea n ds t e e lb a r sa t h i g ht e m p e r a t u r e s s e v e r a ls e r i e so fm a t e r i a lt e s t sw e r ec a r r i e do u tf o rt h i ss t u d y t h er e s u l t so b t a i n e da r es u m m a r i z e dc o n c i s e l yf o ru s ei nn o n l i n e a rh e a tt r a n s f e r a n a l y s i sa n dt h e r m a le l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i s i nt h et e s t s ，t h ep l a y s i c a lp r o p e r t i e s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e d t h ee s s e n t i a lp r o p e r t i e sa n du l t i m a t ec o l l a p s eo far e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m d u r i n gaf i r eh a z a r di ss t u d i e di n t h i sp a p e r a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h e n o r m a ls e c t i o nb e a r i n gc a p a c i t yo far e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi sp r o v i d e d t h e s e c t i o no fab e a mi sd i s p e r s e db yt h ec o n c r e t e l ym e t h o d a n dm a k i n gu s eo ft h e f i n i t ye l e m e n t ss o f t w a r ea n s y sa n a l y s e st h et e m p e r a t u r ef i e l do f t h eb e a m t h e n ， t or e s u l tt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o ft h es e c t i o nu n d e rac e r t a i nh i 曲 t e m p e r a t u r et i m ei nt h es t a n d a r d l yc a l e f a c t i v ef i r ec o n d i t i o n ，e n s u r et h er e s i s t i n g p r e s s u r ei n t e n s i o no fa na r b i t r a r yc e l lo f t h es e c t i o na n dt h ey i e l di n t e n s i o n t h e 晗尔滨工程大学硕士学位论文 e q u a t i o nh a v i n gt w ou n k n o w nq u a n t i f i e si sg o tf r o mt h er e s u l t a n tf o r c eo ft h e p r e s s e dc o n c r e t es t r e s s a n dt h eb a l a n c e a b l er e l a t i o no ft h ep u l l e db a r si n t e r n a l l b r c e ，u s i n go ft h et r i a lm e t h o dg e t st h eh e i g h to ft h ep r e s s e da r e a a n a l y z i n gt h e s e c t i o no f b e a r nl i m i t e ds t r e s s s t a i np r o p e r t i e s k e yw o r d s ：f i r eh a z a r d ；r e i n f o r e dc o n c r e t eb e a m ；b e a r i n gc a p a c i t y 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、数据和文献等的 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。对本文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) ：蔓趣妾褪 日期：2 0 0 6 年2 月2 0 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；j i i i i i 自目i i i i # i i i i 暑 第1 章绪论 1 1 概述 近年来由于不同原因，各种建筑火灾时常发生，给人民生命财产带来了不 可估量的损失。于是促使人们对建筑结构火灾认识不断加深、研究钢筋混凝土 材料的高温性能和结构的抗火性能，通过抗火设计来提高结构的抗火能力，对 火灾后材料和结构损伤进行正确评估以及加固修复，已经成为国内外研究的方 向。 早在1 9 2 2 年l e a 和8 t r a d l i n g 就在这方面发表了研究成果。1 9 3 2 年出版 了英国标准b s 4 7 6 ，即英国建筑材料与结构的耐火性、不燃性和难燃性定义 标准。1 9 3 5 年隶属于火灾保险公司委员会( f o g ) 的一间新测试场在英国的哈德 福郡波尔亨沃特镇正式成立，它为英国建筑研究所( b r s ) 建筑材料和结构部件 的耐火性能研究工作提供了试验测试手段。高温下混凝土力学性能衰减的研究 在西方也在2 0 世纪5 0 年代就开始了2 ”】。5 0 年代，美国哈佛大学的艾蒙斯教 授提出了火灾模化的理论，为火灾科学的研究奠定了基础。1 9 8 4 年，英国爱丁 堡大学庄斯戴尔出版了专著火灾动力学，第一次对火灾科学的理论体系进 行了系统的阐述。火灾科学的建立和发展，为消防科学技术发展成为- f 独立 学科奠定了理论基础，同时也促进了消防新技术、新产品的开发研制。1 9 8 5 年 有英、美、日等国际著名的消防科学家发起，成立了国际消防安全科学协会 并于1 9 8 5 年召开了第一次国际消防安全科学研讨会。现在，该协会已发展成 为世界性的消防学术交流组织，并每三年组织一次国际研讨会，为国际消防科 研领域的学术交流发挥了重要作用。我国消防界中有不少教授、专家多次出席 哈尔溟工程大学硕士学位论文 会议，荠在会议上发表学术论文；寿戆专家还捶任了该貉会了镶暑职务。 与国外相比，我国在混凝土抗火方面的研究起步较晚。2 0 世纪6 0 年代，中 弱冶金建筑科学磷究院等单彼避芎亍过高滠申溺凝土强度静试验研究，他们潺霹 和分析了高温对厂房结构和烟囱等的影响，并在7 0 年代编制了冶会工业厂房 钢筋混凝土结构抗热设计规襁，给出了6 0 一2 0 0 范嗣内钢筋混凝土继构的设 计方法及寿关耨定，公安部漓防磅究薪建娥了大鍪匏搴棼臀舔火试验装鬻；主要 用于建筑产品的检验和结构构件耐火极限的研究。中国建筑科学研究院和上海 远东茨灾试验中，逛弓| 避了大型熬专蠹謦挠火试验装嚣，可以送露各秘缝橡擒 孚 的抗火试验。八十年代中期开始，清华大举、同济大学、西南交通大学等单位 对薅温下、高潺慝钢筋和混凝土的本构模麒、构件和结构在高温下的反应以及 灾焉评估修复等问题进幸亍了研究，取褥了较为丰富酶成聚。此外，中黼辩技大 学还设有专门的国家级火灾举实验室，对火灾发生、传播直至熄灭的垒过程进 行分辨搂瓠，劳疆究火臻气潺、熬量、火瀵貔空阉分毒矮律，致缮了事襞成暴， 尽管试验数据相对离散，但总体趋势仍有定规律性。 1 2 国内外研究现状 根据现有的试验和理论研究成果，以及工程实践经验，钢筋混凝结构的 抗嵩温( 火) 後熊与常溢下瀚後能有摄大麓舜，它其育魏下特点：( 1 ) 内辩温度场 不均匀。由于混凝土的热传强系数很小，结构受火后表颟温度迅速升满，而截 嚣蠹零魏温度增长缓漫，戮姥形或了缀不均匀秘滠瘦场，表罄豹涅发嶷位撵废 非常大。同时，温度场随赭火灾时间的延续而不断交化。( 2 ) 材料憔能严重恶 2 哈尔溱_ 【程大学硕士学位论文 豫。寒瀣下，凌凝主露镪笈熬强疫僮与癸缎模量藿锐躐，变形猛瓒。滋凝还 相继出现开裂、酥松和边角崩裂等外观损伤现象，且随温度的升高而渐趋严重。 这熬混凝构件秘结构的离激嫩载力与耐火极限严重下降的主要原因。( 3 ) 应 力一应变一温度一时间的耦合作粥效应。在分析一般结构的常温性能时，只需有 材料的应力一应变关系即可。但是，高温结构的温度值和持续时间对于材料的 强度秘交话僵畜缀大影酶。嚣基，不嚣稳舞漾一燕载( 斑力) 途经又毒务簿熬褪 料变形和强度假。构成了混凝土材料的应力一应变一温度一时间四者的耦台效应， 因数必须建立起鞠应豹藕合糍瀑一力学本鞠关系，才能壤确地分辑结擒懿裹滠 性能。这就大大地增加了构件和结构分析的难度与工作爨。( 4 ) 构件截面的不 均匀温度场必产生不等的温度变形和截面威力重分布。超静定结构的简温区部 分因为温度变形受到支瘫私节熹鼢约束，戳殿褶邻静菲离溢梅箨豹约聚，必产 生激烈的内力( 驽矩、剪力、轴力) 重分布；黼且随着温度的变化和时间的延续， 会澎藏一个连续戆肉力重分蠢过程，最终滋凌与鬻瀑缝擒不强弱玻琢搬棱帮形 态，影响了高渝极限承载力。( 5 ) 破坏的过程和形态。游通混凝土结构在常温 下的破坏过程缓慢，有明显预携。结构在离滠状况下会因变形突然增大两破坏， 过程短促，少有征兆。破坏聪的结构构件静很大的残余变形、肉眼明避w 见 4 1 。 。2 。 构锋截面的温魔场 在火灾或高温作用下，钢筋混凝土结构的材料强度驻著下降、变形明显增 大，嚣虽缍掩稳譬蒜积澎张、截嚣熬温度分蠢不璃匀搜猿藿产生童平赞豹退度 威力和构件弯曲变形。对于趱静定体系将发生剧烈的内力重分布，甚拦改变结 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 构的破坏机构和极限荷载。因此，进行钢筋混凝土结构抗火性能理论分析，首 先必须分析结构的温度场。在抗火试验和火灾下，构件截面的温度场随时间时 刻在变化，而且砼的导热系数、比热和质量密度也不是常数。所以截面热传导 问题是一个非线性瞬态问题，而其控制方程是一个非线性抛物型偏微分方程。 对于实际问题，解析解几乎不可能得到，一般只能使用数值解法，如差分 法和有限元法，利用高速计算机进行计算和求解是现今最有效和成功的选择。 一些简单的结构温度分析，可以采用差分法求解，其优点是计算格式简便、灵 活，可较快地获得结果。但此法只适合于形状规则的差分网格，处理复杂的几 何形状很不方便。另外，它只考虑节点的作用，不计及连接节点的单元本身特 性，也有其不足。目前，普遍采用的是有限元一差分混合法，即对结构空间域 用有限单元进行离散，在时间( 温度) 域上用差分的步进法进行递推分析 s h ”。 用空间域的有限单元法，不仅易于剖分各种复杂形状的结构空间，而且对单元 所进行的积分计算，引入了不同单元对节点参数的贡献，弥补了差分法的不足。 查晓雄，钟善桐提出了两种不同方法，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、考虑对流相辐射，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，可用于不同的边界条件， 优点是精确度高【8 1 。屈立军采用差分法计算了各类构件在不同受火时间下( 标准 耐火试验) 的温度场，给出了部分数值解 9 1 。董毓利，王清安，范维澄利用有限 差分法确定了火灾时钢筋混凝土板的温度分布阴。王春华，程超根据工程传热 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 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行了讨论和分析，提出了钢筋混凝土板上、下表面总换热系数口。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咖。 对钢筋混凝土梁而言，如果三面受火大致均匀，梁的内部温度场只考虑某 一截面即可。由于梁的长度有限，在实际火场中，其中部截面温度相对较高 故可采用梁的中部横截面来研究。梁的横截面温度场是火灾持续时间和截面坐 标的函数。杨泽安确定了钢筋混凝土梁的高温常系数，以及计算梁受火表面温 度分布，得到了温度场。采用数值解求解，经过理论分析和实验验证，得到了 适合于火场钢筋混凝土梁的内部温度场计算。该计算方法和公式，可直接运用 于实际火场钢筋混凝土粱内部温度场计算，其误差范围在8 以内( 3 q 。 时旭东，过镇海等人利用f o r t r a n 9 0 语言编写了混凝土结构截面非线性 瞬态温度场分析的计算程序( h t a r c ) 。程序中采用了变化的时间步长，以等效 周围介质温度的等值增量，有利于保证运算的稳定性。该程序普遍适用于各种 火灾温度时间曲线和不同的边界温度条件等情况下的构件截面温度场分折旧。 t f i e l d 是由刘永军，李宏男，王欣，王强利用v i s u a lb a s i c 语言开发的温度 分析软件，主要用于分析钢筋混凝土结构遭受火灾时构件内部的温度场分柝 也可用于研究各种参数对温度场的影响，可解决稳态、线性瞬态及非线性瞬态 温度场计算问题旧。郭鹏，董毓利等人利用有限元方法分析了火灾温度作用下 钢筋混凝土板内部温度场的分布，用f o r t r a n 语言编n t 计算机程序。 1 2 2 构件和结构的高温性能和极限承载力算法 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 土的强度和变形规律基础。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。钢筋混凝土结构的基本构件，主要包括梁、板等受弯 构件和轴心、偏心受压构件。 1 2 2 1 受弯构件 建筑结构遭受火灾时，梁三面受火和板一面受火是最经常发生的情况。这 种情况下，梁板截面上的温度很不均匀，上下面温度相差悬殊，承受正弯矩的 构件为拉区高温，承受负弯矩的构件为压区高温。两者的高温承载力和变形值 都有很大差异。拉区高温梁和压区高温粱在相同升温条件下，有相同的温度场 但其力学性能相差悬殊。国内外已有的试验研究】 1 6 t 都属前者。高温作用下 混凝土梁、板构件一般为受拉钢筋屈服控制的弯曲破坏形式【4 】。构件升温时的 变形和温度加载时变形( 曲率、挠度) 值都大于构件的常温变形。钢筋屈服后 的变形发展很快，破坏急速。卸载和降温后的残余变形大，弯折明显。构件表 面弯曲裂纹的数量少，但宽度大。混凝土梁的抗剪承载力也随温度的升高而下 降，但下降幅度低于抗弯承载力的下降幅度。常温状况下属于剪切破坏的构件 在高温作用下转为弯曲破坏。梁内钢筋的保护层能在火灾后有效地降低钢筋温 度。适当地加大保护层厚度，可提高构件的抗高温能力7 】。但过多增加保护层 厚度并不适宜1 1 8 1 ，侧向混凝土保护层厚度增加对抗火性能基本不影响。 孙劲峰，时旭东，过镇海通过三面受热钢筋混凝土梁的荷载试验，绘出了 截面拉区高温梁和压区高温梁在高温时和降温后的主要受力性能及其比较。试 验和分析表明，拉区高温梁在高温时的承载力和刚度比常温梁严重下降，但降 6 哈尔滨工程火学硕士学位论文 温后因钢筋强度复原、梁承载力大部分可以恢复；而压区高温梁在高温时和降 温后的极限承载力接近，且比常温梁下降有限 1 9 1 。陆洲导，朱伯龙，周跃华对 1 2 根钢筋混凝土简支梁进行了一面、二面、三面加温的抗火j 眭能试验。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 柝上，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【2 0 】。应建敏，钱在兹研究了受一定荷载作用的钢筋混凝土简支梁进 行高温火烧试验及其残余力学性能测定等情况；然后将这些梁与常温下的同类 简支梁进行比较。文中分析和探讨了荷载、高温等因素对钢筋混凝土粱的强度、 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【2 1 1 。 杨建平，时旭东，过镇海给出了一种计算高温下钢筋混凝土梁极限承载力 的简化计算方法，通过此方法能够计算出不同温度下钢筋混凝土梁的极限承载 力。根据实验研究和理论分析可知，钢筋混凝土压弯构件在高温下与常温下有 相似的破坏形态和截面极限应力( 应变) 图，只是钢筋和混凝土的强度须根据 温度的改变作相应的修正。计算时做了一系列假定。根据这些假定，可得到高 温下钢筋混凝土构件一折算的匀质截面。其原则是确定截面上的3 0 0 。c 和8 0 0 的等温线，折算截面保留3 0 0 。c 的全部面积，3 0 0 - - 8 0 0 c 范围取为原截面 宽度的一半。钢筋强度按所在位置的温度逐个确定。计算折算截面极限承载力 的方法与常温构件的完全相同。根据上述简化方法，三面高温矩形构件的折算 截面。有效的混凝土面积一般为t 形【2 2 1 。陆洲导，朱伯龙在试验研究的基础上， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用非线性有限无法，着重研究钢筋混凝土梁在火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2 ”。 王学谦通过对梁截面进行离散化，采用结构分析方法、分析了钢筋砼梁处 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。 他的计算方法思路为：对梁截面进行离散化，求得一定火灾高温加热时间梁截 面的温度分布，进而确定砼和钢筋在高温下的剩余强度，最后分析梁截面极限 应力、应变状态，根据内力平衡条件求得截面极限弯矩。用这种计算结果可进 一步分析确定钢筋混凝土梁的耐火极限，同时可为其火灾后修复提供依据。这 种方法相对于梁标准耐火试验，既经济，又能全面确定梁的耐火能力。文中虽 然是仅仅就矩形截面讨论的，但其计算理论对于其他截面形式的梁以及楼板也 同样适用。 1 2 2 2 轴心受压构件 当轴心受压的矩形截面柱的周边高温( 受火) 时，其截面的温度场和应力 分布对两方向的轴对称，应变均匀。李华东，时旭东，过镇海进行了关于三面 受火的钢筋砼轴心受压柱在不同温度( 2 0 9 5 0 。c ) 下的试验研究。1 0 根试件的试 验结果分析表明，不均匀受火的钢筋砼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1 。通过1 2 根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 。c ) 下的试验，分析了其强度和变形规律。结果表明 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， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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m 1 。胡海涛，董毓利通过1 2 根三面高温时钢筋混凝土轴心受压 柱在不同温度下的试验，研究了高强混凝土( c 6 0 ) 轴心受压柱在不均匀温度场 下的力学性能，并与普通强度混凝土( c 3 0 ) 轴心受压柱进行了比较。试验结果 表明，在不均匀温度场下的高强混凝土轴心受压柱强度和变形与温度、箍筋用 量、荷载温度途径及预加荷载水平有关 2 7 j 。 1 2 2 3 偏心受压构件 钢筋混凝土柱和墙板等承受轴压力和弯矩的共同作用；梁和板在荷载作用 下产生弯矩，当其纵向温度变形受到支承构件或相邻结构的约束时，又将承受 附加轴力的作用。这些都可统称为偏心受压或压弯构件。 火灾情况下钢筋混凝土构件可有不同的受热面，其力学性能的差别很大。 杨建平，时旭东，过镇海通过恒温加载试验比较了两面和三面高温下钢筋混凝 土压弯柱的各种性能，包括截面温度场、变形和极限承载力等l 抽1 。对1 2 根三 面加温( 8 0 0 5 0 c ) 的钢筋混凝土压弯试件进行了不同升温及加载途径的试 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) 丽种途径 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m 】。孙劲峰，李琰，时旭东，过镇海对1 9 根三面加温至8 0 06 c 的钢筋混凝 土压弯试件进行了高温、恒温两小时后以及降温后- - - + 十温度工况的加载试验， 分析了其受力性能的差别、包括试件的破坏特征、极限承载力和变形规律等。 9 哈尔滨工程人学碘士学位论文 试验结果表明，试件高温时的力学性能比常温时严重恶化，恒温两小时试件的 承载力明显削弱，降温后的试件受力性能则与高温时的差别较小。【3 0 1 杨建平， 时旭东，过镇海给出了一种计算三面高温下钢筋混凝土压弯构件极限承载力的 简化计算方法，通过此方法能够比较准确地计算出不同温度下钢筋混凝土压弯 构件的极限承载力1 3 1 。 1 2 2 4 超静定结构 根据6 根钢筋混凝土两跨连续梁的高温试验，时旭东，过镇海考察了不同 加载位置、荷载水平以及单跨或双跨加温等因素下连续梁的变形和内力随温度 的变化规律，分析了连续梁的破坏特征和机构以及内力重分布情况等。结果表 明，在升温过程中，不但连续梁内力要发生剧烈的重分布，而且可能改变其破 坏机构，与常温下具有显著的差异，塑性铰是一个可变铰【3 2 】m l 。 时旭东，过镇海通过五根钢筋混凝土门式框架在三面加热情况下的试验， 分析了高温下框架的破坏特征和破坏机构。结果表明，高温作用改变了常温框 架的塑性铰出现的次序和位置，以及破坏机构和极限承载力，与常温下显著不 同1 3 4 1 。陈礼刚，李晓东，董毓利对足尺钢筋混凝土三跨连续板进行了恒载下边 跨受火试验研究，通过试验，了解了钢筋混凝土连续板在高温下的变形、温度 分布规律；分析了连续板的内力重分布和破坏机构的特点【3 5 1 。 1 3 本文的主要工作 利用a n s y $ 建模，进行温度场分析。将梁截面离散化，求得在标准火灾升 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 滠祭 孛下一定热熬对闻截瑟懿溪疫分毒壤，确定截嚣饪纛徽元嚣毫滠毒雯傣莸压 强度及某根钢筋在高温时的屈服强度，由受压区混凝土应力的合力和受拉钢筋 内力豹平衡关系褥到一个有嬲个未知量的方攫，通过试爨法求 导受压隧高度， 分桥梁截面极限波力、应变状态，由内力平衡条件求褥戳面极限弯矩。并与已 有的试验结果进行比较，确怒本文计算方法的正确性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章高温下混凝土和钢筋的热工性能 和力学性能 试验表明，钢筋和混凝土随温度升高而热工性能和力学性能均发生变化 此处所讲高温是指短时高温作用。 无论对钢筋还是混凝土，测定其短期高温力学性能都有两种试验方法 是将材料加热到指定温度，并恒温一定时间，使材料内外温度达到一致，然后 在此热态状态下测定其力学性能，此种方法测定的力学性能称为材料高温时的 力学性能，用于结构在火灾时的承载力计算。另一种方法是把材料加热到指定 温度，然后冷却到室温，在冷态状态下测定其力学性能，此种方法测定的力学 性能称为材料高温后的力学性能，用于结构遭受火灾后的修复补强计算。 2 1 混凝土 高温下，混凝土将产生热分解，从而改变了混凝土的力学和热学性能。混 凝土在高温下强度降低的主要原因是：高温使混凝土中游离水急剧蒸发而引起 骨料的膨胀和水泥石的收缩，当温度达到5 0 0 。c 以上时，水泥石中的氢氧化钙 等成分开始分解，导致水泥石结构的破坏，从而降低了混凝土的强度。 2 1 1 混凝土在高温下的热工性能 热工性能直接地影响混凝土结构在高温下的传热过程和温度场，对于确定 的温度，其性能指标主要取于骨料种类、用量和混凝土的含水状态。关于混凝 土几个主要热工性能指标的研究成果如下： 喻尔溱e 张大学硕士学位论文 1 热传浮系数 随温度升高，混凝土的热传导系数逐渐降低，骨料品种对这种对特性具有 明显影响，骨科为石灰石和自云石的混凝土，其热传苷系数t 骨科为硅石韵混 凝低1 5 2 0 ，轻质混凝土则降低更为显著，文献( 3 6 对普通混凝士的导 热系数进行了测试，得到其随温度变化规律为： 五( r ) = 6 一面0 6r 吖撒。c ) ( 2 1 ) 另步 ，文献 3 7 根据国外试验瓷料，建议混凝土的热传导系数采用下式计 算： 量( f ) = 1 1 6 ( 1 4 - 1 ，5 1 0 “t + 6 1 0 。丁2 ) 吖m 一。c ) ( 2 2 ) 院较( 2 - - 1 ) 和( 2 - - 2 ) 薅以看出，詹喾绘出的混凝土热传导系数随滏度 的下降幅度明疆大予前者。 2 院热容q 随温度升高，混凝土的院热缓谩增热，骨料晶种对这种特性影嘛缀小。另 外，混凝土的眈热随骨料比热、澹凝土密度以及含水率韵增大丽增大。岩豹 比热一般为o 1 7 0 2 0 k c a l ( k g o c l ，由于混凝士中岩石数量鞍多，老g 之水泥 净浆的比热又比岩石大，因此混凝土的眈热一般在o 2 0 o 3 0 k c a ( ( k g - 。c ) a 困内。文献 3 胡通过对蔫通混凝土的比热进行测试。得到其随温度的交纯规律 为； c ( r ) = o 2 + 丽0 1 r k c a l ( k g 8 c ) ( 2 - - 4 ) 由于混凝主阮热随温璇交化不大，因此计算过程中霹遮似取为裳数p 6 聊1 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 文献 3 7 建议的常数取为9 2 0 ( 堙) 。 3 质量密度 随温度升高，混凝土的容重略有减小，这主要是由于自由水蒸发以及混凝 土自由膨胀造成体积增大所导致的。根据文献的 3 7 建议，其变化规律可用下 式表示： p ( r ) = 2 4 0 0 0 5 6 t k g m 3 4 热膨胀系数 ( 2 5 ) 由于混凝土的传热性能较差，在较短时间里很难使整个试件截面的温度处 于均匀稳定的状态；又由于截面上和沿试件长度的不均匀温度场，混凝土内部 各点互相约束而不能自由膨胀变形，试件的伸长实际上代表的是平均膨胀变 形。因而，混凝土的热膨胀系数值不仅与混凝土本身的骨料类型等有关，而且 还与试验的试件尺寸大小、加热速度、试件密封与否等外部条件有关。因此， 不同研究者的试验结果差异也较大。 为了计算简便，l i e 不考虑骨料类型的影响，给出混凝土的热膨胀系数口与 温度r 的关系式i s o l ： 掰= f 0 0 0 8 t + 6 ) x 1 0 “ 2 1 2 混凝土在高温下的力学性能 ( 2 6 ) 高温下的混凝土力学性能包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、应力应变 关系、瞬时热徐变等，其中混凝土的抗压强度是最基本、最重要的一项。 1 高温下混凝土的强度 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 馄撤土受商温作j h j 时本身脱水，导致水泥石收耀，臂料随温升而膨胀，两 者变形不协调使混凝土开裂，强度下降。此外，由于脱水、孔隙率增大、密实 度降低，4 0 0 。c 以后，混凝土中c a ( o h ) ：脱水，生成游离c a o ，混凝土严重开裂。 当温度大于5 7 3 ，骨料中石英组分体积突变，混凝土强度急剧下降。相应， 塑性变形能力增强，并且由于裂缝的增多，混凝土的徐变增加。 文献 3 6 ， 3 8 通过试验，分别给出了高温下混凝土棱柱体抗压强度的计 算模型。 文献 3 6 ： f 工( 丁) 2 正 o 丁4 0 0 。c ( 2 - - 7 ) 【工( 丁) = ( 1 6 - 0 0 0 1 5 t ) f 4 0 0 。c r s 8 0 0 。c 式中，正( t ) 表示高温下混凝土的抗压强度，正表示常温抗压强度。 文献 3 8 ： l ( r ) 2 瓦石j 而c u 2 8 式中，厶( r ) 表示高温下的立方体抗压强度，厶表示常温的立方体抗压 强度。文献 3 8 ， 3 9 同时给出了正和z ( 丁) 的关系，形式上与式( 2 8 ) 完全 相同，只需将该式中无和厶( r ) 分别换成z 和正( 丁) 即可。 欧洲混凝土协会总结归纳各国的试验结果，推荐高温下混凝土的抗压强度 可按下式计算【3 9 1 ： f 厶 r 2 5 0 。c 正。( 丁) 1 o _ 0 0 0 1 5 7 ( t 一2 s o ) s o 2 5 0 。c r 6 0 0 。c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 文献 4 0 通过劈拉试验得到混凝土高温下抗拉强度。由于高温引起的失 水，缝隙和界面裂缝所引起的应力集中现象对抗拉强度影响更大，因此在高温 下混凝土抗拉强度比抗压强度降低更多。文中给出如下的计算公式： f ( t ) = ( 1 0 0 0 i t ) f , 2 0o c t 1 0 0 0o c ( 2 1 1 ) 式中，z ( t ) 表示温度r 时的抗拉强度，z 表示常温时的抗拉强度。 2 高温下混凝土的弹性模量 高温下混凝土的弹性模量随温度升高而逐渐降低。混凝土的弹性模量与升 降温循环次数的关系很小，主要取决于曾达到的最高温度。主要原因是随温度 升高，混凝土内部出现裂缝，组织松弛，加之空隙失水失去吸附力，从而造成 变形增大，弹性模量降低，与抗压强度的降低相比，弹性模量的降低幅度更大。 文献 3 6 ， 3 8 ， 4 1 通过实验，分别给出高温下混凝土弹性模量的计算 模型： 文献 3 6 ： 巨( r ) 一 e 文献 4 1 1 o o 一1 5 1 0 。r o 8 7 一o _ 8 2 1 0 叫丁 0 2 8 0 0 c t 2 0 0o c 2 0 0 0 c t 茎7 0 0 0 c( 2 1 2 ) 7 0 0 0 c t 8 0 0 0 c 0 0 c t 2 0 0 0 c 2 0 0 0 c t 7 0 0 0 c ( 2 - - 1 3 ) 7 0 0 0 c t 8 0 0 0 c 文献 3 8 ： e ( r ) = ( o 8 3 - 1 1 x 1 0 47 1 ) e 6 0 。c 丁7 0 0 。c( 2 1 4 ) 1 6 叮m 蚶 睨_ 二0 一 一 m 笛 m、 型巨 从( 2 1 2 ) 和( 2 - - 1 3 ) 可以看出，文献 3 6 和文献 4 1 所给模型比较接 近。但这两个模型均存在同一问题，即在分解点2 0 0o c 和7 0 0 0 c 处分段线性函 数是不连续的。 3 高温下混凝土的应力一应变关系 国内外大量试验结果表明，高温下混凝土的应力一应变曲线总体呈现出随 温度增加而渐倾扁平的趋势，峰值点明显下移和右移。但若以峰值应力和相应 的峰值应变对曲线进行无量纲化处理，则不同温度下混凝土的无量纲应力一应 变曲线十分接近，且与常温时无量纲应力一应变曲线采用与常温类似的方程形 式是合适的。 文献 3 6 ， 4 1 通过试验，建立了高温下混凝土应力一应变关系的如下模 型： 州 z 南一卜吲丁，o 。c t 5 4 0 0 。c ， 州( 1 6 - 0 0 0 1 5 t ) z 南一 南 2 o f 岛( 丁) ( 4 0 0 。c t _ ( r ) ( 0 。c 岛( r ) ( 4 0 0 。c t _ 8 0 0 。c ) ( 2 1 8 ) 式中：盯和s 分别为应力和应变；和( 7 1 ) 分别为常温时和温度丁作用下混凝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 土峰值应力所对应的峰值应变。s o ( r ) 可按下式计算 模型 氏( r ) = ( 1 + o 0 0 2 t ) s o ( 2 一1 9 ) 文献 3 8 ， 3 9 通过试验，也建立了高温下混凝土应力一应变关系的如下 吲 2 2 南乩。 南卜z ( 南 3 0 蔓s o ( t ) ( 2 - - 2 0 ) 一坤丽蒜丽。卵) ( 2 - - 2 1 ) 其中s o ( r ) 按下式计算： s 。( ，) = 1 1 + 1 5 0 0 t + 5 t 2 ) 1 0 “s o ( 2 2 2 ) 2 2 钢筋 同混凝土力学性能一样，高温时钢筋的力学性能也是研究混凝土结构或构 件高温力学性能的基础。因此，许多学者对高温下钢筋的力学性能进行了大量 的试验研究，主要包括高温时钢筋的热工性能、高温时钢筋的力学性能和高温 时钢筋和混凝土间的粘结性能。高温下，钢筋的强度和变形性能的变化必然影 响钢筋混凝土结构的受力性能。高温下钢筋的强度大约以3 0 0 c 开始随温度升 高而迅速降低，当温度大于6 0 0 时，钢筋处于流动状态而无法承载。具有明 显屈服点的钢筋在大于3 0 0 。c 的高温下会出现屈服点消失的现象，并在2 屈 服应变之后出现应变强化。特别是预应力混凝土结构，一旦发生火灾，就会因 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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的预应力丧失，钢筋的强度显著降低，结构的承载能力 严重受损。因此，研究高温下钢筋的受力性能是十分必要的。 2 2 1 钢筋在高温下的热工性能 1 热膨胀系数 e c c s 的建议和欧洲规范e u r o c o d e l 4 2 1 采用的热膨胀系数为 o f s = 1 4 x 1 0 3 m ( 朋o c ) 美国a i s c l 4 3 】采用的热膨胀系数是一个随温度变化的量： 略= ( 11 + 0 0 0 6 2 t s ) 1 0 “州( 脚- o c ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 陆洲导在进行钢筋混凝土抗火分析时，钢筋的热膨胀系数采用 口s = ( 1 1 + 0 0 3 t s ) x 1 0 _ 6 m ( m o c ) 2 比热 钢的比热随温度的变化较大，近似可用下式表示【4 t = 3 8 1 0 。茗+ 2 0 1 0 。2 兀+ 4 7 0 j ( 堙o c ) e c c s 建议和英国规范【4 5 】均采用常数： c 。- - 5 2 0 4 ( 培。c ) 3 钢的导热系数 钢的导热系数随温度的升高而减小。 英国规范1 4 5 】取常数： 1 0 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 啥尔滨工程大学硕士学位论文 五= 3 7 5 形雕o c ) ( 2 2 8 ) 欧洲规范e u r o c o d e 3 4 2 】提出的随温度变化的导热系数为 。| 5 4 3 。3 3 x 1 0 。2 形( 棚to c ) 2 0 0 。c g 8 0 0 。c 妒1 2 7 3 吖( e ) p 8 0 0 。c 3 钢靛寮嶷 钢材的质爨密度因所含合金元素成分的种类和数量耐有所变化。纯铁的质 爨爨发较毫，可这7 s 7 堙，碳镪稳甄羰铜教取为7 8 5 0 k g m 3 。镪糖在溢 鹰升高后体积膨胀，质量密度稍有下降，假在温度场分析时，一般都取为常数。 2 。2 2 钢筋在高温下的力学性畿 钢材内部组织中晶体的点缺陷使得材料强度增大，但高温时有恢复的趋 势，由于穰疲力锱簸鑫体豹鼷爨大，蘩滚颈应力麓魄蓉遴镪戆在毫滚中强度降 低得更多，并且由于高温下其他的物理化学作用，如原子间结合力降低和脱碳 璇象，钢材强度避一步降低，塑牲摺应煺强。 1 高温下钢筋的强度 普通低碳钢筋，随温度升高，屈服台阶逐渐减小。划3 0 0 4 c 时，屈服台阶 消失，莫屈鼹强度取条彳串弱蠢强度。在4 0 0 。c 鞋下瞻，英强度魄露懑对蝰裹， 但塑性降低。超过4 0 0 * c 时，其强度降低而塑性提高。普通低合金锱在3 0 0 * c 葭下嚣英强度疆莠提褰毽黧毪洚低。超趱3 0 0 4 c 踺箕强度辫羝嚣鳖懿罐麴。低 龠金钢强度降低幅度比低碳钢稍小。 冷加工钢筋( 冷拉、冷拔) 在冷加工过程 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中所提高的强度随温度升高而逐渐较小和消失，但冷加工所减小的塑性可得到 恢复。 模型 文献 3 6 ，( 3 8 通过试验建立了高温下i i 级热轧钢筋屈服强度的如下计算 文献 3 6 ： ( r ) 2 o 。c r 2 0 0 。c ( 2 3 0 ) l ( 丁) = ( 1 3 3 - 1 6 4 1 0 。r ) 厶2 0 0 。c t 7 0 0 。c 文献 3 8 兀( r ) 一 0 0 c r 蚴o ” ( 2 3 1 ) i 乃( 丁) = ( 1 2 5 1 6 1 0 。r ) 2 0 0 。c t _ 7 0 0 。c 欧洲钢结构协会推荐的高温下钢材屈服强度的计算表达式为m ： 们小南f y 0 t _ 6 0 0 。c ( 2 - - 3 2 ) 2 高温下钢筋的弹性模量 文献 3 6 ， 3 8 3i $ 过试验建立了高温下i i 级热轧钢筋弹性模量的如下计算 模型： e ( 丁) = ( 1 o _