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外文翻译题目名称：火灾作用下钢筋混凝土结构的反应学院名称：建筑工程学院班 级：土木学 号：学生姓名：指导教师： 2012年 03 月 火灾作用下钢筋混凝土结构的反应 ZHAOHUI HUANG1, IAN W. BURGESS2and ROGER J. PLANK3摘要：在过去的二十年中,对钢框架组合结构在火灾下的性能已经进行了大量而显著的研究。然而对于其它形式的结构并没有得到同样水平的发展。比如在钢筋混凝土结构方面，其设计仍然是基于标准耐火试验这种简单的方法，而这并不一定代表真正建筑物的特性。这使得对钢筋混凝土结构的防火设计非常困难，甚至不可能实现一个安全或适当安全的水平来保证结构的性能。在本文的研究中，就对钢筋混凝土结构在标准火灾中的规律进行了详细分析。本试验选取的建筑物是商业办公楼的代表，是按照欧洲法规2的规定进行设计的。为了研究结构之间低温、高温之间的相互作用，对该建筑物进行了一系列不同程度不同部位的受火分析。很明显，邻近的低温结构表现出了相当大的约束力和连续性，这提高了结构的抗火性能。混凝土板在相对较小的区域内形成了拉应力，在相对大区域内形成压应力。其结果是，混凝土梁在加热过程中，尤其在开始阶段，提高了张力，同时还主要伴随着拉伸加固。因此，对于钢筋混凝土梁，使温度保持在一定范围内是很重要的。研究结果表明结构的最终的倒塌往往是因为柱子的失效，所以在火灾中幸存下来的钢筋混凝土建筑很明显表明，柱子的性能至关重要。 1 Lecturer, Department of Civil & Structural Engineering, University of Sheffield, Sheffield, S1 3JD, UK; Email: z.huangsheffield.ac.uk 2 Professor, Department of Civil & Structural Engineering, University of Sheffield, Sheffield, S1 3JD, UK; Email: ian.burgesssheffield.ac.uk 3 Professor, School of Architectural Studies, University 关键词：钢筋混凝土结构、耐火试验、约束力、连续性、张力、柱子1.引言结构在火灾的作用下往往表现出的是耐火的性能，这可以通过规定的标准时间温度曲线表现出来。在结构设计中，极限状态可以定义为结构倒塌或整体失效（允许火灾蔓延的发生）,但是更通常定义为挠度极限。当前的设计规范1,2已经朝着全性能化设计理念发展，设计师在防火性能设计时可以按照这一规定作为一个基本极限状态来进行，并应考虑到： 由于局部保护而造成的非均匀加热，可能是框架结构固有的或专门的应用。 由于火极限状态这样的偶然条件相对不大可能发生，使得结构的部分安全系数比较低。 材料在高温下实际的应力应变特性。这些规范的主要局限是它们的方法基于被测试的是行为独立的简支梁, 通常根据ISO834标准的时间温度曲线3。然而实际建筑物结构是由构件形成一个连续整体，建筑火灾经常发生在局部，周围低温区域受火灾影响的结构明显受到限制。这些结构构件的真正性质就可以表明截然不同的标准火灾试验。于1995 96期间在卡丁顿BRE的火灾研究实验室4进行了6次大型的全面综合建筑物火灾试验。这些测试明确表示，在真正的多层建筑物中的未受保护的钢构件比独立的构件有更显著的防火性能。这毫无疑问是由于受热构件在防火区间的互动引起的，包括混凝土楼板(包括加热、没有加热的)和相邻的复合框架结构。虽然这种相互作用被设计师用于指定防火策略，作为一个完整的极限状态设计的一部分,但因为极高的成本不能实际基于测试。因此软件模型变得越来越重要,被发展用于结构在火灾条件下具有足够的预测精度。大量的研究人员已经研究出了数值模拟的方法来研究钢筋混凝土结构在火灾情况的性质。Ellingwood、Lin5，黄和Platten6开发的平面建模软件被用于研究钢筋混凝土构件在火作用的表现，另外Lie和Celikkod7开发的一个简单模型用来分析高温下钢筋混凝土框架柱的性质。在这种大型通用有限元代码中数值模拟的研究通常是尝试，但材料降解性质往往是简化，另外有限元公式常常不适合有效的建立并具体分析综合建筑物受到火灾时的情况。在过去的十年里，谢菲尔德大学开发的有限元程序Vulcan8，这个三维结构模型用来研究复合钢架结构的建筑发生火灾时的情况。该项目是一个非线性分层杆系有限元程序，能预测混凝土板结构受火的反应9,10。另外一个更强的可分析梁柱构件和一般的截面的三维3结点模型被研制开发出来，可以适用钢筋混凝土框架在火灾分析11。这些研究成果提供了强有力的工具进行钢筋混凝土结构发生火灾时的三维分析。在这项研究中一个通用的37.5m x 37.5m标准钢筋混凝土结构包括四层楼曾被考虑过，与现实一样的加载条件和结构布局。为了进一步理解之间的相互作用对冷热的结构、区域进行了一系列剖析，已经进行了不同程度的部位、局部火成份。2. 研究计划的理论背景该三维非线性有限元程序的理论基础是Vulcan，一个钢筋混凝土建筑可被模型为有限个梁柱板构件的集合。假定把不同类型构件的节点定义在一个参考平面内，如图一所示。参考平面被假定是在灾混凝土板构件的中间。在整个分析中，参考平面的位置是固定的。梁柱等效为空间直角坐标系。该模型是Bathe12为了建立弹性梁的几何非线性模型而提出的。梁柱的截面被分为很多矩阵段，每一段可以有不同的材料、温度和力学性能。结构的性能在发生火灾时的其他表现均包括在内，如热膨胀、应力-应变曲线的降低，混凝土的开裂破碎、钢构件的屈服。梁柱构件、混凝土的本构模型和钢筋在高温下的数值模拟已经被预先提了出来11。 图1 -钢筋混凝土结构分成梁板构件。非线性分层有限元程序已经可以预测钢筋混凝土板结构在发生火灾时反应9,10。这一程序是基于Mindlin 和 Reissner的(厚钢板)理论，材料的几何非线性特性也被考虑到。考虑到沿着板厚方向的温度分布、热应变和材料的性能降低、处于高斯点时的应力引起的层层失效，把板构件细分为混凝土层和钢筋层。3. 钢筋混凝土结构的整个楼层加热情况的分析本研究是用一个通用的37.5m x 37.5m标准四层钢筋混凝土结构的建筑物进行的，该建筑物4.5米的层高和两个方向的五个7.5m x 7.5m网格，这是根据ISO384标准火灾(参见图2)而设计的。该建筑是商业办公楼的代表，是按照欧洲法规213和BS811014的规定而设计的。负载假设如下： 自重(假设混凝土密度为24kN/m3 )： 7.5KN/m2 活荷载： 0.5KN/m2 屋顶和其他: 0.5KN/m2 隔墙： 1.0KN/m2 外荷载： 2.5KN/m2 图2 混凝土结构整个底层布置受ISO384标准火分析。因此，在火极限状态下，外荷载的安全系数为0.5时，结构设计的总负荷为10.75 KN/m2。这个荷载被用在整个的实验中。混凝土和钢筋的强度分别为是45MPa和460MPa。假定建筑物受两个小时的火。梁、板、柱必要防火层分别是30mm、25mm、25mm14。根据欧洲法规213规定每层混凝土板厚为250mm。梁、柱横切面尺寸分别是500mm x 350mm和350mm x 350mm。图3所示为梁、柱截面尺寸。 图3：梁、柱截面尺寸。 图4 梁、柱、板随时间加热预测。在这个方案中,假定整个建筑物的底层受火。由于结构对称性，只取四分之一的结构作为模型。第一步是使用Vulcan模型进行热分析。梁柱中主钢筋，板中钢筋网的随时间加热情况，如图4所示。钢筋的最大温度在180min和120min时分别为660C和530C。很明显,混凝土层对钢筋起到很好的隔热作用。在这个热分析中假没有混凝土层剥落情况发生。图5混凝土楼板关键部位的挠度预测。图6底层三个柱的顶部竖向挠度预测分别为A1、B2和C3。换句话说,假定所有的钢筋混凝土的横切面保持完好。先对构件横截面进行热分析，然后用来进行结构分析。关键部位的挠度（见图2）的分析如图5。很明显, 楼板最大挠度在120min是250mm，这是跨度的1/ 30。图6所示为底层三个柱的顶部竖向挠度分别为A1、B2和C3。显然，由于热膨胀，柱子的挠度先变大，然后随着混凝土强度降低，110min后，挠度开始降低。最后，试验由于B2柱的屈曲而停止。很明显，就像在组合结构, 在火灾条件一些钢筋混凝土建筑物柱子的延伸是至关重要。对于钢筋混凝土柱必须防止保护层从柱面上剥落，以避免火的钢筋直接接触。图7显示的是结构模型在150min时的挠度剖面。在150min板构件处于高斯点时的主要牵引力的向量分布图如图8所示。在这个图中，向量的长度与大小成正比；细线表示张力，粗线表示压缩。这个重复图案表明了张力区在每层楼板的中心，周边压缩“圈”是拉伸膜的特点。张力区比压缩地区明显小的多。这是因为挠度相对很小，不到跨度的1/ 30，所以拉伸应力作用不是很明显。图7在150min时楼板的下层开裂挠度剖面图。通过对切线方向对应的拉应力和压应力的仔细研究（见图8），很明显，压应力量远大于拉伸膜的力量。因此，为了保持平衡在这个高级阶段之火，钢筋混凝土梁应该存在拉力，因为靠柱肢剪力墙平衡整个板上的力是不可能的。图9所示的是图8中混凝土梁三个关键位置的轴向力随时间的改变。可以看出，在室温下的梁都受到由此产生的张力。在受火前30分钟梁内拉力就比室温时大幅增加了三倍。因为混凝土的抗拉能力很弱，梁内的拉力主要有主筋承受。这是明显的从图，经过150min，梁的拉力比室温下只增加两倍左右。因此，在火灾的初期阶段梁钢筋拉伸破坏的可能性是相当高，这取决火灾的类型和梁和板的尺寸而定。图8150min时主要膜分布（粗线指压缩；细线指张力)。图9梁在关键的位置轴向拉伸力。4. 不同部位的结构受火表现为了研究结构之间冷热的相互作用进行了一系列不同程度不同部位耐火研究分析。三种不同的位置的模型,如图10所示。其结构构件的温度分布假定与上述相同。非受火部位的结构温度假定维持在20。图10混凝土结构不同部位受火布置。图11所示为三种不同部位受火挠度随时间的变化曲线。位置三达到220mm的挠度所需要的时间比位置一多50min的时间。每个位置的结构的受火表现是明显不同到，特别是在高温时。这是因为相邻低温结构和楼板上存在约束力和连续性的缘故，结构内部比外面的挠度更大。图1214显示的是150min板构件主要膜牵引力的分布，分别为位置一、二、三。很明显的是，受火的第二、三结构位置没有膜牵引力，甚至第一个位置也只有很小的膜牵引力。以上很明显分析了在受火时板的相邻低温区对结构的性能是不是有着十分重要的影响。低温结构的约束力和连续性对结构防火有益。最后试验由于柱子受热弯曲而终止。再一次确认了钢筋混凝土结构耐火性能设计中，预防柱子的失败是最重要的。图11 不同受火条件下结构内部挠度比较的预测。 图12位置一 图13位置二图14位置三5. 结论本文是通过使用计算机程序Vulcan对普通的钢筋混凝土结构试块在ISO834标准火灾下进行的一系列分析。得出以下结论：（1）结构框架的一些性质可以通过有限元程序进行分析, 该程序可为钢筋混凝土结构在发生火灾时的合理设计提供信息。（2）邻近低温结构提供的约束力和连续性提高了结构的防火性能。（3） 发生火灾时，混凝土板相对较小的区域内形成拉应力相对大的区域内形成了压应力。（4）在火灾中，尤其是在初始阶段，混凝土梁受到张力，这些张力主要是随着梁的拉伸加固而形成的。总之，使钢筋的温度保持在一定范围内非常很重要。当前的设计规范对钢筋保护层的有关规定似乎是合理的，但前提是发生火灾时混凝土层不脱落。因此，设计师应当采取措施来防止混凝土剥落，这样才能使结构满足耐火要求。至于复合钢筋混凝土结构，柱子的防火性能是非常重要的。在本文所有分析中，结构最终的毁坏都是由于柱子受热弯曲而引起的。参考文献1 EN 1992-1-2, “Eurocode 2, Design of concrete structures, Part 1-2: General rules - Structural fire design”, Commission of the European Communities, Brussels, 2004. 2 EN 1993-1-2, “Eurocode 3, Design of steel structures, Part 1-2: General rules-Structural f ire design”, Commission of the European Communities, Brussels, 2005. 3 International Organisation for Standardisation, “ISO 834: Fire Resistance Tests - Elements of Building Construction,”, 1985. 4 Swinden Technology Centre, “The Behaviour of multi-storey steel-framed buildings in fire: A European joint research programme”, British Steel plc, Rotherham, UK, 1999. 5 Ellingwood, B., and Lin, T.D., “Flexure and shear behaviour of concrete beams during fires”, Journal of Structural Engineering, ASCE, 117 (2), pp.440-458, 1991. 6 Huang, Z., and Platten, A., “Non-linear finite element analysis of planar reinforced concrete members subjected to fire”, ACI Structural Journal, 94 (3), pp.272-282, 1997. 7 Lie, T.T., and Celikkod, B., “Method to calculate the fire resistance of circular reinforced concrete columns”, ACI Material Journal, 88(1), pp.84-91, 1991. 8 Najjar, S.R., and Burgess, I.W., “A non-linear analysis for three-dimensional steel frames in fire conditions”, Engineering Structures, 18 (1), pp.77-89, 1996. 9 Huang, Z., Burgess, I.W., and Plank, R.J., “Modelling membrane action of concrete slabs in composite buildings in fire. Part I: Theoretical development”, Journal of Structural Engineering, ASCE, 129 (8), pp.1093-1102, 2003. 10 Huang, Z., Burgess, I.W., and Plank, R.J., “Modelling membrane action of concrete slabs in composite buildings in fire. Part II: