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钢筋混凝土框架结构高温响应的数值分析 摘要 本文利用a n s y s 对高温下钢筋混凝土框架进行分析，得到其温度场、 应力、内力重分布以及承载力的一些计算结果，并将这些计算结果与试验进 行对比，取得较为理想的结果。最后对抗火设计方法做了讨论。主要内容有： ( 1 ) 利用有限元软件模拟钢筋混凝土结构的温度场，利用a n s y s 的热分 析模块对钢筋混凝土构件和结构的温度的分布和随时间的变化情况进行数值 计算，并与前人的试验、数值计算结果进行对比，取得了较为理想的结果， 同时又对若干种贴近工程实际的截面尺寸的混凝土梁、柱构件进行有限元仿 真，为抗火设计中温度场的确定提供依据。 ( 2 ) 在对钢筋混凝土火灾反应的探讨中，同样是采用数值模拟的手段分 析高温下框架结构变形的特征、应力变化情况；结合实体单元后处理的方法， 着重分析了高温下框架结构内力重分布；借鉴常温下的塑性极限弯矩法结合 截面等效折减模型计算了超静定结构的极限承载力，并与有限元模拟得到的 结果进行对比。； ( 3 ) 最后，针对本文的研究对抗火设计提出一些建议。 关键词：钢筋混凝土框架结构a n s y s 高温内力重分布极限承载力抗火 设计 n u m e r i c a la n a l y s i so ff i r er e s i s t a n c eb e h a v i o ro f r e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m es t r u c t u r e a b s 。i r a c i i nt h i st h e s i s ，r e i n f o r e e dc o n c r e t ef r a m e sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r ew a sa n a l y z e d w i t ha n s y s w h i c hi n c l u d e dc a l c u l a t i o n so ft e m p e r a t u r ef i e l d ，d e f o r m a t i o n ， s t r e s s ，i n t e r n a lf o r c er e d i s t r i b u t i o n ，p o s t f i r eu l t i m a t el o a d i n g t h i sc a l c u l a t i o n s w e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t f i n a l l yt h ef i r e r e s i s t a n c ed e s i g no f r e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r e sw a sa l s od i s c u s s e d i tc o n t a i n e d ： ( 1 ) t e m p e r a t u r ef i e l dw a ss i m u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et og e tt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n ga n dt h ev a r i e t yw i t ht i m eo ft h es t r u c t u r e ，w h i c hw e r e a l s oc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t t h e ns e v e r a lr e i n f o r e e dc o n c r e t eb e a m s w h o s es e c t i o ns i z ew e r ec l o s et oc o n s t r u c t i o nw e r ec a l c u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r et op r o v i d et h eb a s i so fd e t e r m i n i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l df o rt h e f i r e - r e s i s t a n c ed e s i g n ( 2 ) i nt h ed i s c u s s i n go ff i r e r e s i s t a n c eb e h a v i o r ，w ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fd e f o r m a t i o na n dt h ev a r i e t yo fs t r e s so fs t r u c t u r e s s t i l lw i t hm e t h o do f n u m e r i c a la n a l y s i s ；t h ei n t e r n a lf o r c er e d i s t r i b u t i o no fs t r u c t u r ea te l e v a t e d t e m p e r a t u r e w a s e x p r e s s l ya n a l y z e d w i t hm e t h o do fs o l i d e l e m e n t p o s t p r o c e s s i n g r e f e r e n c ew i t hm e t h o do ft h ep l a s t i cl i m i tm o m e n tm e t h o da t a m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dt h ee q u i v a l e n tr e d u c t i o nm o d e lo fc r o s s - s e c t i o nt h e u l t i m a t el o a d i n go ft h ei n d e t e r m i n a t es t r u c t u r ew a sc a lc u l a t e da n dc o m p a r e d w i t hs i m u l a t i o nr e s u l to ff i n i t ee l e m e n t ( 3 ) f i n a l l y ，t h ec u r r e n tf i r ed e s i g nm e t h o d sw e r er e v i e w e d ，a n du n d e rt h e r e s e a r c ho ft h i sp a p e rs o m es u g g e s t i o n sw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：r e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m es t r u c t u r ea n s y se l e v a t e dt e m p e r a t u r e i n t e r n a lf o r c er e d i s t r i b u t i o nu l t i m a t el o a d i n gf i r e r e s i s t a n c e d e s i g n 插图清单 3 1 试件的截面尺寸及测点位置图一2 1 3 2 温度与时间曲线2 l 3 3 试验框架图模型2 3 3 4 试件的加载方式2 3 3 5 试件测点布置2 3 3 - 6 有限元模型图2 4 3 7 温度场云图2 5 3 8 不同尺寸截面温度时间曲线2 6 4 1 有限元网格的划分2 9 4 2 结构静力计算时模型透视图2 9 4 3t f c 2 框架变形图31 4 4a n s y s 计算结果与试验结果的比较3 2 4 5 框架试件的应力云图3 4 4 6 框架柱底剪力与温度的曲线3 5 4 7 框架梁端弯矩初始弯矩比值与温度的曲线3 6 4 8 框架柱底弯矩与温度的曲线3 6 4 9 欧洲规范三面受火梁简化计算简图3 8 4 1 0 二台阶等效截面三面受火梁简化计算简图3 9 4 1 1 各种混凝土截面折算方法4 0 4 1 2 高温下框架结构可能出现的破坏机构一4 3 4 1 3 框架试件的破坏机构和虚位移4 4图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表2 1 表2 2 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表格清单 不同温度下弹性模量折减系数8 钢材和混凝土热工参数值的一般范围1 6 框架试件尺寸2 2 框架试件极限高温承载力试验值一4 5 框架试件极限高温承载力塑性极限法计算值4 5 框架试件极限高温承载力a n s y s 计算值4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒目巴王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字敝签字嗍剖p 年笋月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍工业太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金胆工些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝糍辄胜 签字日期三少年笋月2 r 日 聊繇仰易彩夺 签字日期：2 叫d 年笋月2 f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：多巧鳓房趁鸯蝴 通讯地址： 电话：溺鹕均 邮编： 致谢 谨以此文献给所有给予我指导和关怀的人们! 本文是在导师何沛祥教授的悉心指导下完成的，从论文选题、课题调研、 理论分析到论文撰写，无不倾注了导师的心血和汗水。导师科学严谨的治学 态度，踏踏实实的工作作风，平易近人、无私奉献的人格魅力深深感染了我， 激励着我，使我终生受益。三年的读研生活，导师不仅在学业上，而且生活 上也给予我无微不至的关怀和帮助，使我得以顺利完成学业。在此，谨向导 师致以衷心的感谢和深深的敬意! 感谢三年来与我同甘共苦的同门师兄弟和研究生同学们，我会永远记住 我们一起走过的日子! 向所有曾经关心和帮助过我的老师、同学和朋友致以诚 挚的谢意! 最后，感谢我的家人，尤其是我的父母，感谢他们对我的无私付出、大 力支持和关心照顾! 作者：陈东生 2 0 10 年4 月 1 1 前言 第一章绪论 火的应用对人类进化和生产力发展产生巨大作用，然而，从人类学会使用 火来，就同时面临着火灾给人类生命和财产早成的巨大危害。跟据有关报道的 调查统计，进入二十一世纪，全世界范围内每年都会发生6 ，0 0 0 ，0 0 0 至7 ， 0 0 0 ，0 0 0 起自然火灾和人为火灾，而每年在因火灾中丧生的人数达到了6 万到 7 万。建筑物火灾又在各种火灾中占到相当大的比例，并且给人们生命和财产 造成的伤害最为直接。 19 9 2 年，美国消防部门共扑救火灾1 9 6 4 5 0 0 起，火灾中死亡4 7 3 0 人，受 伤2 8 7 0 0 人，直接经济损失8 2 9 5 亿美元；1 9 9 3 年，美国消防部门共扑救火灾 19 5 2 5 0 0 起，其中建筑火灾占了火灾总起数的3 2 ，死亡人数占了8 2 5 ，受 伤人数占7 4 0 万；19 9 4 年，美国发生火灾共2 0 5 4 5 0 0 起，与1 9 9 3 年相比上升 了约5 2 ，其中建筑火灾共发生6 1 4 0 0 0 起。1 9 8 9 年到1 9 9 1 年间，日本因火 灾造成的直接经济损失分别为4 5 0 0 亿日元、5 2 0 0 亿元和7 9 0 0 亿日元；19 9 3 年，日本发生5 6 6 9 1 起火灾，建筑火灾则呈现增长趋势。据有关部门统计，从 1 9 8 3 年到1 9 9 3 年的l o 年间，我国平均每天发生火灾1 0 0 多起，平均每天就有 6 人葬身火海：1 9 9 4 年，我国共发生火灾3 9 1 2 0 起，死亡2 8 3 1 人，受伤4 2 3 6 人，直接财产损失1 2 4 亿元；1 9 9 8 年，全国共发生火灾1 4 2 万起，火灾致死 2 3 8 0 人，致伤4 8 9 4 人，直接财产损失1 4 4 亿元；2 0 0 0 年，全国共发生火灾 1 8 8 5 6 8 起，死亡3 0 2 1 人，伤4 4 0 4 人，直接财产损失1 5 2 亿元。在1 9 9 6 2 0 0 0 年五年的十一国数据统计表明，年平均发生火灾最多的是美国，共18 6 3 万起， 其次为英国，共4 2 2 万起，法国3 6 8 万起，位居第三，随后依次是德国2 0 5 万起、中国l3 8 万起、日本6 万起、韩国3 2 万起、马来西亚1 7 万起、菲律 宾0 8 万起。 尽管预防建筑火灾发生和消防的手段越来越先进，但随着社会城市化建设 的推进，城市人口日趋密集，加之城市建筑的高层化、多功能化和大规模化发 展，使得建筑火灾的发生仍日益频繁。在各种建筑结构中，钢筋混凝土结构占 有相当大的比重。研究表明，钢筋混凝土结构的抗火性能优于木结构，钢结构 等结构形式。但在火灾作用下，由于混凝土和钢筋的材料性能严重劣化，构件 和结构内部将发生剧烈力重分布，结构变形显著加剧，从而使得结构的性能大 大削弱，甚至危及结构的安全，导致结构发生整体倒塌和破坏。可见。进行结 构抗火理论研究有重要意义，通过系统的理论研究，建立科学的结构抗火设计 方法，以避免因结构在火灾中破坏或倒塌所造成的人员伤亡，并减少因结构在 火灾中的破坏或倒塌所造成的经济损失。 1 2钢筋混凝土结构抗火研究进展 1 2 1 概论 早在十九世纪，人类就开始对关注火灾研究。美国是对火灾开展系统研究 较早的国家之一【l ，2 】，18 9 0 年成立了国家消防协会( n a t i o n a lf i r ep r o t e c t i o n a s s o c i a 2 t i o n ) ，同年建立了保险商实验室( u n d e r w r i t e r sl a b o r a t o r i e s ) ；l9 0 1 年国 家标准局( n a t i o n a lb u r e a uo f s t a n d a r d s ) 成立；1 9 7 4 年，美国组织了防止及控制 火灾联合行动，并在国家标准局成立了火灾研究中一t , , ( c e n t e rf o rf i r er e s e a r c h ) ； 1 9 9 0 年，火灾研究中心和建筑技术中, g , ( c e n t e rf o rb u i l d i n gt e c h n o l o g y ) 合并成 立了今天的建筑与火灾研究实验室( b u i l d i n ga n df i r er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) ，开 始了对火灾科学和工程问题的全面研究。此外，美国的各种研究机构以及高校 也积极开展关于火灾科学的研究。 1 8 9 7 年p j ，在当时的不列颠防火委员会( b r i t i s hf i r ep r e v e n t i o nc o m m i t t e e ) 和火灾保险委员会( f i r eo f f i c e s c o m m i t t e e ) 的主持下，英国的火灾试验场在 r e g e n sp a r k 建成，在该试验场可以进行各种材料燃烧性能和构件抗火性能的 试验，标志着英国启动了关于火灾科学和工程的研究。1 9 18 年，火灾工程师协 会( i n s t i t u t i o no f f i r ee n g i n e e r s ) 成立；1 9 3 5 年，火灾保险委员会新的火灾试验 炉在b o r e h a m w o o d 建成；1 9 4 7 年，组建了火灾研究所；最值得一提的是，1 9 6 8 年在卡丁顿建立的火灾实验室，在该实验室内，可以对高达3 0 m 的建、构筑物 的抗火性能进行各种足尺试验研究。同时爱丁堡大学、帝国大学等高校和科研 机构也积极投身于结构抗火研究中1 4 j 。 与此同时，加拿大、瑞典、挪威、新西兰、澳大利亚、日本等国也对火灾 进行了广泛系统的科学研究，并取得了丰硕的研究成果。在我国，虽然关于火 灾的系统研究开展的相对较晚，但是也在此领域取得了一定研究成果和突破进 展。1 9 7 2 年，公安部四川消防科学研究所率先开展建筑构件抗火性能研究，并 于1 9 7 3 年建立了两座燃烧试验炉，对梁、板、柱、墙、屋面板等构件进行了耐 火极限的试验研究；上世纪8 0 年代，中国建筑科学研究院、同济大学、清华大 学、中国科学技术大学、西南交通大学等科研单位对建筑材料的热物理性能、 建筑构件及结构的耐火性能进行了一系列试验研究及理论分析，大大加快了我 国关于结构抗火研究的德进程。而标志着我国火灾科学研究进入了新的阶段的 事件是1 9 8 9 年火灾科学国家重点实验室在中国科学技术大学成立。 通过各国科研人员大量的试验研究和理论分析，形成了火灾科学的基本思 想，建立了火灾科学的框架体系。19 8 5 年1o 月，从事火灾科学研究的专家们 聚集在美国，召开了第一届国际火灾科学大会，宣告“火灾科学 正式诞生。 2 火灾科学主要研究火灾共同规律，如火灾发生、火灾蔓延、烟气运动等，也研 究不同种类火灾中的特殊现象。建筑火灾一般是指危害建筑物本身及建筑物中 生命、财产的火灾，是火灾科学的主要研究领域之一。建筑火灾研究包括火灾 探测、烟气运动、人员疏散、灭火技术、防火设计、抗火设计、损失评估等诸 多内容【4 1 。 1 2 2 材料高温热工性能和力学性能的研究 混凝土和钢筋在高温下的热工性能以及力学性能是高温下结构抗火性能研 究的基础，因此，改领域的研究在结构抗火性能的研究中占有很重要得到地位， 也是较早开展的研究之一。材料的热工性能参数包括热传导系数、比热容、质 量密度以及热膨胀系数等。温度、骨料类型、水分含量及混凝土的配合比等都 对混凝土的热传导系数有一定影响。根据试验【5 j 的结论，混凝土的热传导系数 将随温度的升高而变小。l i e 等 6 1 通过试验分析和理论研究，总结出了实用混凝 土的热传导系数与温度关系的拟合简化公式。另外，温度对混凝土的热容、质 量密度也有一定影响，但相对热传导系数，其影响的程度较低。此外，骨料类 型等因素、试件尺寸、加热速度等外部条件也会影响混凝土的热膨胀系数，但 是不同研究者得出的结果差异较大。相对于混凝土的力学性能来说，混凝土的 热工性能研究则较为成熟，而且热工参数对混凝土结构抗火的影响远没有其力 学性能参数对结构抗火性能的影响大。 根据文献【3 】的报道，加拿大国家研究院、英国建筑研究院、美国波特兰水 泥协会以及同济大学、清华大学等科研机构和高校对高温下两种材料高温下的 力学特性、本构关系、热变形、高温瞬时徐变以及高温对轻骨料混凝土影响等 进行了系统试验研究和理论分析，得出一系列的结论 6 9 j 。这些研究表明，各 种混凝土、钢筋在高温下，抗压强度、抗拉强度、弹性模量均明显下降，下降 程度与升温速度及高温持续时间等因素有关；混凝土的抗压极限强度随着温度 的升高不断降低，极限强度对应的应变增大；随着温度的升高，混凝土和钢筋 的徐变速度明显加快。在对高温下钢筋混凝土的粘结滑移性能进行了试验研究 后发现高温下及高温后其粘结强度均有所下降，极限滑移量增加；根据德国学 者t h i e n e l 和r o s t a s y 对双向受力时高温下混凝土的本构关系【1 0 1 试验研究，骨料 的最大粒径对高温下双轴强度有较明显的影响，骨料含量及水灰比影响较小； 高温下双轴破坏包络线形状类似，但双轴强度随着温度增高而减小。而国内学 者宋玉普等j 对高温后混凝土在双向压载情况下的本构关系进行了试验研究， 也得到了些有意义的结论。 1 2 3 高温下结构温度场的研究 相对于常温下钢筋混凝土结构力学性能的研究，高温下，对结构的温度场 的研究就显得十分重要，搞清构件及结构内部各点的温度分布、变化过程对研 究计算构件及结构在高温下的力学性能至关重要。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。由传热 学知识可知，火灾下，可燃物释放的热量通过热对流、热辐射以及热传导方式 传递给构件及结构的表面，再通过热传导的方式在构件内部传递。显然，构件 内温度场是一个随时间变化而变化的瞬态温度场，通过对热传导热微分方程进 行数值求解可获得构件内的温度分布。一般来说，为了减少计算工作量，通常 认为梁、柱等构件的温度分布沿长度方向均匀分布不发生变化，因此可将实际 结点把三维温度场视为成二维温度场，而认为板的温度场只在厚度方向上发生 变化，因此可将其视为一维温度场。同时，由上文可知，混凝土的导热系数和 比热容等参数是温度的函数，且边界条件与环境因素有关，因此火灾时构件内 温度场是一个复杂的非线性瞬态温度场。通常在空间域上采用有限单元法、在 时间域上采用有限差分法的混合有限元差分法，充分利用两者优点来计算温度 场的变化。一般来说，由于钢筋在钢筋混凝土结构中所占的体积较小，计算温 度场时通常忽略钢筋，而采用插值的方法来确定钢筋的所在位置的温度分布。 通常情况下由于混凝土内部水分运动变化规律十分复杂，在计算温度场 时，常常忽略水分对混凝土温度场的影响，而实际情况下混凝土内水分的运动 及蒸发对构件内温度场有一定的影响。因此有学者提出采用对混凝土热传导系 数、比热容等参数进行人为调整的方法，将水分的影响考虑到温度场的计算中 来。近年来，对混凝土抗火性能的研究已经从普通混凝土扩展到高性能混凝土 的研究中来，在高温作用下，高性能混凝土由于结构致密，水分难以及时扩散， 水蒸气压力陡然增大会导致高性能混凝土产生爆裂的现象，一旦混凝土爆裂， 钢筋外露，直接受火，结构的承载能力将迅速降低。因此研究高温高性能混凝 土中水分、气压变化对其温度场的影响也是近年来的一个热点，j a m e s 等【1 2 , 1 3 】 对高温下混凝土构件内的温度变化、气压变化、水分运动等采用有限单元法及 有限容积法进行耦合分析，取得了较好的效果，对研究高性能混凝土的抗火性 能具有积极意义。 1 2 4构件及结构抗火性能研究 几十年来，各国的科研机构和火灾科学的科研人员做了大量有关钢筋混凝 土抗火性能的试验研究和理论分析。在试验研究方面，e l l i n g w o o d 等【1 4 】针对各 不同截面形式的钢筋混凝土简支梁的耐火性能进行了试验研究，着重考察了荷 载水平、混凝土保护层厚度、纵向配筋率、升温途径等对简支梁耐火性能的影 响。结果表明：随着承受的荷载水平的增加，梁的耐火时间逐渐减小；适当增 加保护层厚度，可以提高梁的耐火性能；提高受火面的纵向配筋率，可以提高 4 梁的抗火能力；荷载水平加大，柱的耐火极限急剧减小；增加纵向配筋率并不 能显著提高钢筋混凝土轴向受压柱的抗火性能；长细比较小的钢筋混凝土柱的 破坏形式一般为压坏，而长细比较大的柱多因侧向挠度过大而破坏。 l i e 及韩林海等【1 5 , 1 6 j 对钢管混凝土的抗火性能进行了试验研究，并利用有 限元软件对高温下钢管混凝土柱的抗火性能进行了数值模拟，分析了不同截面 形式的钢管混凝土的火灾反应，并研究了保护层对提高钢管混凝土结构抗火性 能的作用。 吴波等【l7 】对钢筋混凝土柱受火后的抗震性能进行了试验研究，系统总结了 高温作用后钢筋混凝土柱的抗震性能的变化规律，同时为震区受火结构的抗震 加固提供了相关试验依据。 同济大学陆洲导、清华大学时旭东等【1 8 , 1 9 】对钢筋混凝土连续梁、框架的耐 火性能进行了试验研究及数值模拟，得到了以下结论：荷载作用位置不同，对 连续梁的跨中挠度影响不大；单跨升温不利于连续梁的抗火性能：高温下，连 续梁的抗火性能较简支梁有所提高；由高温引起的构件轴向变形会在超静定结 构中引起较大的附加温度应力；高温下，剪切破坏和节点区受拉破坏是钢筋混 凝土框架结构常见破坏形式：由于火灾对结构截面刚度的削弱，超静定结构在 高温作用下会发生内力重分布。 朱伯龙、陆洲导等【20 j 针对3 0 个混凝土试件以及3 0 根钢筋试件进行了高温 中构件的强度、弹性模量和应力一应变关系试验研究，同时还进行了4 0 根钢筋 混凝土拔出试件在高温下及冷却后的粘结一滑移试验，研究了它们的本构关系。 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弹性模量、 极限拉压应变、强度等的影响，并建立了与实测值符合较好，能确切的反映它 们特征和规律的对应表达式。 过镇海 2 1 2 3 】对混凝土结构在高温下的性能进行了系统研究。指出在高温作 用下，混凝土由于水分蒸发、骨料与水泥浆体的热工性能差异和骨料的高温膨 胀、破裂等原因，造成材料内部的结构性损伤，且随高温的持续作用而不断积 累，力学性能的恶化逐渐加剧；混凝土各项高温力学性能的恶化，依照严重程 度由轻至重依次为：失重、立方体抗压强度、降温后的抗压强度、棱柱体抗压 强度、抗拉强度、粘结强度、弹性模量，各项性能随温度的升高变化规律不完 全相同，但在t 8 0 0 后，各项性能都接近衰竭，难以再加利用。 姚亚雄、朱伯龙【2 4 】对五榀单层双跨钢筋混凝土框架进行了正常使用荷载作 用下，常温6 0 0 、8 0 0 以及单跨和双跨加热等条件下的模拟火灾试验，并运 用非线性直接刚度法和不稳定热传导理论，对钢筋混凝土框架在高温下的温度 场和应力场做了非线性有限元分析。同时，针对钢筋存在对结构温度场的分布 的影响做了探讨并首次将混凝土和钢筋在高温下的卸载规律作为影响钢筋混凝 土框架结构内力重分布的重要因素进行分析。 台湾交通大学和加拿大国家研究院对高性能混凝土的耐火性能进行了联 合研究1 2 5 】，对15 根高性能混凝土柱( 3 0 5 m mx3 0 5m m 3 18 0 m m ) 进行了足尺试 验，证明了剥落现象的存在。 在钢筋混凝土抗火理论研究方面，吴波、卢锦钟1 2 6 j 运用虚功原理，推导建 立了高温下钢筋混凝土的梁单元模型，在考虑高温下结构的几何非线性的前提 下编制了钢筋混凝土结构高温反应的全过程分析程序。并用该程序对大量算例 进行计算，并与试验结果进行对比分析来验证程序。利用该程序对某轴力作用 下的钢筋混凝土梁进行了高温反应分析，研究结果表明： 目前，国内外学者采用有限差分法和有限元法解决三( 四) 面受火钢筋混凝 土矩形梁( 柱) 截面二维温度场计算的报道较多。如t t l i e 等【2 7 刀j 采用对角线 网格法给出了二维温度场的差分格式，过镇海等f 3 0 j 采用矩形网格法给出了二维 温度场的差分格式；此外，过镇海等 3 0 。3 2 】建议利用有限单元一差分混合分析法， 即空间上有限元法与时间上有限差分法相结合的方法对二维温度场进行了计 算；余志武等【3 3 】为简化温度场计算，基于有限差分矩形网格法，采用增大混凝 土比热容的方法考虑混凝土中自由水、结合水的物理化学反应所引起的温度滞 后效应的影响，并根据试验结果，合理确定了混凝土比热放大系数和混凝土受 火面换热系数计算公式。国内外学者一系列的理论研究为高温下钢筋混凝土结 构耐火性能研究以及性能化设计提供了坚实的理论基础。 1 3 目前研究工作中存在的问题 当前，国内外虽然开展了很多关于钢筋混凝土结构抗火的研究，但大都基 于试验分析。虽然试验有一定的规律可循，然而试验时具体条件、构件尺寸效 应、人为因素等的影响，试验结果离散性很大。总的来说，目前还有以下几个 问题有待于进一步解决： ( 1 ) 试验数据离散性很大，缺乏统一的试验标准一。从定性趋势上看，国 内外有关高温下( 后) 钢筋和混凝土力学性能研究结果基本一致，但如上文所述。 其在具体定量方面却相差较大，特别是混凝土力学性能的研究结果。造成这种 现象有两方面原因：一方面是因为缺乏一个相对统一的试验标准，不同学者在 试验过程中所采用的加热速度、恒温时间、冷却方式等互不相同，另一方面是 因为本身试验过程就存在着中大量不确定因素的影响。 ( 2 ) 随机特性考虑不够。虽然高温下( 后) 钢筋和混凝土的力学性能不可避免 地存在一定的随机性，但到目前为止国内外的研究方法几乎都是确定性的。 ( 3 ) 基于传热学理论的温度场分析研究己经很好的解决了热传导问题，即 在结构表面温度己知的情况下可以推算出其内部任何一点的温度。然而实际情 况下常常需要利用边界条件来确定构件或结构温度场的分布，因此边界条件的 合理确定和定量研究势必会成为未来温度场研究的重心之一。 6 ( 4 ) 高温下，结构变形和内力重分布情况和常温相差很大，目前的这方 面的研究报道并不多见，而现实中，高温下结构内力重分布给结构抗火设计带 来了巨大的复杂性，因此未来这一方面还需要进行更多的研究来完善。 ( 5 ) 虽然国内外学者针对结构抗火进行了诸多试验研究，但是由于试验研 究本身代价高昂，往往一个节点抗火试验就要投入几十万元，而建立一个完善 的火灾实验室更是耗资巨大。再加上试验本身存在诸如离散性过大等众多问题， 因此采用成本低廉且更具统计意义的数值模拟的方法来进行结构抗火研究势必 成为日后抗火研究的趋势。 ( 6 ) 如上文所述，国内外虽已编制了各种计算程序，但都缺乏通用性，应 用有限。通用有限元程序的开发研究可以为工程中的抗火设计带来极大的方便。 同时在通用软件基础上的适于工程人员操作使用的专业化的结构抗火设计软件 也亟待开发、应用。这些都是摆在从事结构抗火研究的科研人员面前的课题。 1 4 本文的研究工作 ( 1 ) 利用a n s y s 计算钢筋混凝土框架结构的温度场，并与试验结果进行对 比，进而验证利用通用有限元程序对结构进行热分析的可行性； ( 2 ) 分析了单层单跨钢筋混凝土框架的在高温下的变形、应力及内力特征 和变化情况，并将部分计算结果与试验结果进行了对比，取得了相对理想的结 果，证明了通过有限元软件分析钢筋混凝土构件、结构高温响应的可行性； ( 3 ) 通过a n s y s 计算钢筋混凝土框架的高温极限承载力，并同时采用等效 截面塑性极限分析法计算其承载力并与试验结果进行对比，通过比较，得出二 者在进行极限承载力计算时的优缺点和相应的应用领域； ( 4 ) 在本文对钢筋混凝土抗火数值分析研究的基础上，针对现行抗火设计中 需要着重注意的地方提出一些建议。 1 5 本章小结 本章系统的回顾了火灾科学发展的历史过程，总结了国内外结构抗火的进 展与近况，着重对钢筋混凝土抗火研究的发展和理论、试验的研究成果进行概 括；针对当前国内外关于钢筋混凝土结构抗火的研究大多基于试验研究的现状， 总结了研究工作中存在的问题，强调了采用有限元数值模拟方法来进行结构抗 火分析的重要意义；概括地给出了本文研究工作的主要内容： 7 2 1概述 第二章材料的热力学性能和热工性能 钢筋和混凝土的热工性能参数和热力学性能参数分别是进行钢筋混凝土截 面温度场分析和高温下钢筋混凝土力学性能研究的重要前提。钢筋和混凝土的 热工性能参数主要包括导热系数、比热、容重和热膨胀系数等；高温下钢筋的 热力学性能参数主要包括屈服极限、弹性模量、应力应变关系、徐变等，高温 下混凝土的热力学性能参数包括抗压、抗拉强度、弹性模量、应力应变关系等。 本章系统总结了国内外有关钢筋和混凝土热力学性能和热工性能的研究成果。 目前国内外对钢筋和混凝土高温下的材性研究主要借助于试验手段，从试 验现象描述反应过程。由于混凝土材料的复杂性和多样性，假设推理也成为解 决混凝土高温特性的一种方法。 2 2 钢筋的高温变形和强度 2 2 1 弹性模量和泊松比 国内外的研究表明，总体来说，钢筋的弹性模量随温度的升高总体下降， 其下降速度在不同温度段又有所不同。 吕彤光【3 4 】采用折线段模型将2 0 0 。c 作为折点，认为弹模在t 2 0 0 下降较快。 朱伯龙等【3 5 1 将3 7 0 c 作为划分点，给出弹性模量的二折线计算公式如下： e ( t ) e = l 一4 8 6 x 1 0 4 t t 兰3 7 0 c ( 2 1 a ) e ( t ) e = 1 5 1 5 1 8 7 9 x 1 0 3 t 3 7 0 。c t 主7 0 0 c ( 2 1 b ) 式中，e ( 丁) 为高温下钢筋的弹性模量，e 为常温下钢筋的弹性模量。 e u r o c o d e 3 3 6 】采用不同温度段常温下的弹性模量乘以折减系数的办法给出 高温中的弹性模量计算方法： 表2 1 不同温度下弹性模量折减系数 台湾交通大学和加拿大国家研究院对高性能混凝土的耐火性能进行了联 合研究1 2 5 】，对15 根高性能混凝土柱( 3 0 5 m mx3 0 5m m 3 18 0 m m ) 进行了足尺试 验，证明了剥落现象的存在。 在钢筋混凝土抗火理论研究方面，吴波、卢锦钟1 2 6 j 运用虚功原理，推导建 立了高温下钢筋混凝土的梁单元模型，在考虑高温下结构的几何非线性的前提 下编制了钢筋混凝土结构高温反应的全过程分析程序。并用该程序对大量算例 进行计算，并与试验结果进行对比分析来验证程序。利用该程序对某轴力作用 下的钢筋混凝土梁进行了高温反应分析，研究结果表明： 目前，国内外学者采用有限差分法和有限元法解决三( 四) 面受火钢筋混凝 土矩形梁( 柱) 截面二维温度场计算的报道较多。如t t l i e 等【2 7 刀j 采用对角线 网格法给出了二维温度场的差分格式，过镇海等f 3 0 j 采用矩形网格法给出了二维 温度场的差分格式；此外，过镇海等 3 0 。3 2 】建议利用有限单元一差分混合分析法， 即空间上有限元法与时间上有限差分法相结合的方法对二维温度场进行了计 算；余志武等【3 3 】为简化温度场计算，基于有限差分矩形网格法，采用增大混凝 土比热容的方法考虑混凝土中自由水、结合水的物理化学反应所引起的温度滞 后效应的影响，并根据试验结果，合理确定了混凝土比热放大系数和混凝土受 火面换热系数计算公式。国内外学者一系列的理论研究为高温下钢筋混凝土结 构耐火性能研究以及性能化设计提供了坚实的理论基础。 1 3 目前研究工作中存在的问题 当前，国内外虽然开展了很多关于钢筋混凝土结构抗火的研究，但大都基 于试验分析。虽然试验有一定的规律可循，然而试验时具体条件、构件尺寸效 应、人为因素等的影响，试验结果离散性很大。总的来说，目前还有以下几个 问题有待于进一步解决： ( 1 ) 试验数据离散性很大，缺乏统一的试验标准一。从定性趋势上看，国 内外有关高温下( 后) 钢筋和混凝土力学性能研究结果基本一致，但如上文所述。 其在具体定量方面却相差较大，特别是混凝土力学性能的研究结果。造成这种 现象有两方面原因：一方面是因为缺乏一个相对统一的试验标准，不同学者在 试验过程中所采用的加热速度、恒温时间、冷却方式等互不相同，另一方面是 因为本身试验过程就存在着中大量不确定因素的影响。 ( 2 ) 随机特性考虑不够。虽然高温下( 后) 钢筋和混凝土的力学性能不可避免 地存在一定的随机性，但到目前为止国内外的研究方法几乎都是确定性的。 ( 3 ) 基于传热学理论的温度场分析研究己经很好的解决了热传导问题，即 在结构表面温度己知的情况下可以推算出其内部任何一点的温度。然而实际情 况下常常需要利用边界条件来确定构件或结构温度场的分布，因此边界条件的 合理确定和定量研究势必会成为未来温度场研究的重心之一。 6 2 1概述 第二章材料的热力学性能和热工性能 钢筋和混凝土的热工性能参数和热力学性能参数分别是进行钢筋混凝土截 面温度场分析和高温下钢筋混凝土力学性能研究的重要前提。钢筋和混凝土的 热工性能参数主要包括导热系数、比热、容重和热膨胀系数等；高温下钢筋的 热力学性能参数主要包括屈服极限、弹性模量、应力应变关系、徐变等，高温 下混凝土的热力学性能参数包括抗压、抗拉强度、弹性模量、应力应变关系等。 本章系统总结了国内外有关钢筋和混凝土热力学性能和热工性能的研究成果。 目前国内外对钢筋和混凝土高温下的材性研究主要借助于试验手段，从试 验现象描述反应过程。由于混凝土材料的复杂性和多样性，假设推理也成为解 决混凝土高温特性的一种方法。 2 2 钢筋的高温变形和强度 2 2 1 弹性模量和泊松比 国内外的研究表明，总体来说，钢筋的弹性模量随温度的升高总体下降， 其下降速度在不同温度段又有所不同。 吕彤光【3 4 】采用折线段模型将2 0 0 。c 作为折点，认为弹模在t 2 0 0 下降较快。 朱伯龙等【3 5 1 将3 7 0 c 作为划分点，给出弹性模量的二折线计算公式如下： e ( t ) e = l 一4 8 6 x 1 0 4 t t 兰3 7 0 c ( 2 1 a ) e ( t ) e = 1 5 1 5 1 8 7 9 x 1 0 3 t 3 7 0 。c ( i 一级钢) ( 2 9 a ) 多7 1 = 少 1 + 4 6 【丁1 0 0 0 】4 )( v 级钢)( 2 9 b ) 式中，多和乒分别为常温时钢筋的屈服强度和极限强度；少7 和乒7 分别为 温度t 作用下钢筋的屈服强度和极限强度。 2 2 5高温应力应变曲线 钢筋在高温下的应力应变关系曲线与常温时不同。观察并比较各强度等级 的钢筋，在不同温度下( t 2 0 0 ) 下的应力应变曲线形状有相似性：屈服前 的变形相对小，屈服台阶不明显；屈服后的变形逐渐加快发展，至极限抗拉强 度时切线呈水平。对钢筋的高温应力一应变曲线采用统一的数学模型以简化计 算，有足够的准确度，可满足结构高温分析要求。因此，过镇海等【30 】将高温下 钢筋的应力一应变曲线方程分作屈服前的“弹性段”和屈服后的“强化段