多遇地震损伤下混凝土框架结构抗火性能的试验与剖析

多遇地震损伤下混凝土框架结构抗火性能的试验与剖析一、引言1.1研究背景与意义在全球范围内，地震与火灾是对建筑结构安全构成严重威胁的两大灾害。地震作为一种极具破坏力的自然灾害，其发生往往具有突发性和不可预测性。强烈地震产生的地震波会使建筑物承受巨大的水平和垂直方向作用力，导致建筑结构内部应力分布异常。一旦建筑物的结构设计不合理或者施工质量存在缺陷，这些变化就可能引发裂缝的产生，甚至造成墙体或柱子的断裂，严重时可导致建筑物倒塌，造成大量人员伤亡和财产损失。例如，2011年日本发生的东日本大地震，引发了福岛第一核电站事故，除了地震直接造成的大量建筑物损毁外，后续的火灾等次生灾害也进一步加剧了损失。地震还会影响建筑物的地基稳定性，地面震动可能使地基土壤液化或沉降，尤其是在软土或填土地区，这种影响更为显著。火灾的发生频率则相对较高，在各类灾种中位居前列。随着城市的发展，建筑物密度不断增加，人口愈发密集，一旦发生火灾，火势容易迅速蔓延。火灾产生的高温环境对建筑结构材料性能产生极大的负面影响，使结构内部发生严重的内力重分布，导致结构性能大幅削弱。如2017年英国伦敦格伦费尔塔火灾，造成了重大人员伤亡和财产损失，该建筑在火灾中结构迅速损坏，凸显了建筑结构抗火性能不足的问题。混凝土框架结构是目前应用最为广泛的建筑结构形式之一，被大量用于住宅、学校、办公楼、工厂等各类建筑。这是因为混凝土框架结构具有诸多优点，混凝土材料具有较高的抗压强度，能够承受大部分垂直荷载，通过连续的柱、梁以及楼板等构件形成稳定的框架体系，有效抵抗水平和垂直荷载，提供良好的结构强度和稳定性；其耐久性良好，能抵抗气候、水分、化学物质等因素的侵蚀，减少维护成本；同时，混凝土属于耐火材料，具有一定的火灾安全性，在火灾中强度和稳定性不易受到较大影响。在实际工程中，混凝土框架结构可能会先遭受多遇地震的损伤，虽然多遇地震的震级相对较低，但仍可能使结构构件出现不同程度的损坏，如混凝土开裂、钢筋屈服等。在这种损伤状态下，若结构再遭遇火灾，其抗火性能将发生变化。受损结构在火灾高温作用下，材料性能劣化的过程和程度可能与未受损结构不同，结构的承载能力、变形能力等抗火性能指标也会受到影响，从而增加了结构在火灾中的倒塌风险。因此，研究多遇地震损伤后的混凝土框架结构抗火性能具有重要的现实意义，它可以为地震后建筑结构的防火安全评估提供科学依据，为制定合理的结构加固和防火保护措施提供技术支持，从而有效减少地震后火灾对建筑结构造成的破坏，保障人员生命安全和财产安全。1.2国内外研究现状1.2.1混凝土框架结构抗震性能研究在混凝土框架结构抗震性能研究领域，国内外学者取得了丰硕的成果。国外方面，早在20世纪中叶，美国、日本等地震多发国家就开始了对建筑结构抗震性能的系统研究。美国的ATC（AppliedTechnologyCouncil）系列报告对结构抗震设计方法的发展起到了重要推动作用，提出了基于性能的抗震设计理念，强调结构在不同地震水准下应满足相应的性能目标。日本则在阪神地震后，大力加强了对钢筋混凝土结构抗震性能的研究，通过大量的试验和理论分析，完善了结构抗震设计规范，提高了结构的抗震能力。国内学者在混凝土框架结构抗震性能研究方面也做出了卓越贡献。在理论研究上，通过对地震作用下结构动力响应的分析，建立了多种抗震计算模型，如层间剪切模型、杆系模型等，为结构抗震设计提供了理论基础。在试验研究方面，进行了大量的足尺模型试验和振动台试验，深入研究了结构在地震作用下的破坏机理和变形特征。例如，清华大学的研究团队通过对不同配筋率和轴压比的混凝土框架结构进行振动台试验，分析了结构在地震作用下的损伤演化过程和破坏模式，提出了相应的抗震设计建议。在抗震设计方法上，我国不断完善建筑抗震设计规范，从早期的基于强度的设计方法逐渐向基于性能的设计方法转变，提高了结构的抗震安全性。然而，目前混凝土框架结构抗震性能研究仍存在一些不足之处。在复杂地震动作用下，结构的非线性行为和动力响应分析还不够精确，现有的计算模型难以准确模拟结构在多维地震作用下的复杂力学行为。不同类型的混凝土框架结构，如装配式混凝土框架结构、异形柱框架结构等，其抗震性能研究还不够深入，相关的设计方法和技术标准有待进一步完善。1.2.2混凝土框架结构抗火性能研究混凝土框架结构抗火性能研究同样受到国内外学者的广泛关注。国外在该领域起步较早，英国的BS476系列标准和国际标准化组织的ISO834标准，为混凝土结构抗火性能试验和设计提供了重要的参考依据。通过大量的火灾试验，研究了混凝土材料在高温下的力学性能变化规律，如强度、弹性模量等随温度的降低关系。同时，建立了多种混凝土结构抗火分析模型，如有限元模型、热-结构耦合模型等，用于预测结构在火灾中的温度场分布和力学响应。国内在混凝土框架结构抗火性能研究方面也取得了显著进展。在材料性能研究方面，通过试验分析了不同配合比的混凝土在高温下的物理和化学变化，以及钢筋与混凝土之间的粘结性能退化规律。在结构抗火设计方法上，结合我国实际情况，制定了相应的规范和标准，如《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）和《混凝土结构防火技术规范》（GB51249-2017），为结构抗火设计提供了指导。在数值模拟方面，利用有限元软件对混凝土框架结构在火灾中的响应进行了模拟分析，研究了结构的温度场分布、内力重分布和变形发展过程。尽管如此，混凝土框架结构抗火性能研究仍面临一些挑战。火灾场景的不确定性给结构抗火性能评估带来了困难，实际火灾中的温度-时间曲线与标准火灾曲线存在差异，如何准确考虑火灾场景的多样性是亟待解决的问题。混凝土结构在火灾后的性能劣化评估方法还不够完善，难以准确判断结构在火灾后的剩余承载能力和安全性。1.2.3多遇地震损伤后混凝土框架结构抗火性能研究多遇地震损伤后混凝土框架结构抗火性能研究是一个相对较新的领域，国内外的研究成果相对较少。国外部分学者通过试验研究了地震损伤对混凝土结构抗火性能的影响，发现地震损伤会导致结构在火灾中的变形增大、耐火极限降低。例如，日本的一些研究团队对经历地震损伤的混凝土柱进行了抗火试验，分析了损伤程度与抗火性能之间的关系。国内在这方面也开展了一些研究工作。刘才玮等人设计了2榀配筋相同的足尺寸单层单跨混凝土框架，对其中一榀先进行模拟经历弱震损伤的低周反复荷载试验，接着进行火灾反应试验，对比分析了两榀框架在试验后的表观现象、温度曲线、承载力变化等，研究结果表明，经历弱震损伤的混凝土框架在火灾中的变形和损伤更为严重。还有学者利用数值模拟方法，研究了地震损伤后混凝土框架结构在火灾中的力学响应，分析了结构的温度场分布和应力应变变化规律。目前该领域的研究尚处于起步阶段，存在诸多不足。研究成果大多集中在单一构件层面，对整体结构的多遇地震损伤后抗火性能研究较少，难以全面评估结构在实际灾害情况下的安全性。试验研究的样本数量有限，缺乏系统性和全面性，不同试验条件下的研究结果缺乏可比性。在数值模拟方面，由于考虑的因素不够全面，模型的准确性和可靠性有待进一步提高。1.3研究内容与方法本研究旨在深入探讨基于多遇地震损伤的混凝土框架结构抗火性能，综合运用试验研究、数值模拟和理论分析等方法，全面系统地开展研究工作，具体内容如下：试验研究：设计并制作多组足尺混凝土框架结构试件，考虑不同的设计参数，如混凝土强度等级、配筋率、轴压比等，以模拟实际工程中的多种情况。对试件施加模拟多遇地震的低周反复荷载，使结构产生不同程度的损伤，通过位移控制加载方式，记录结构在地震作用下的荷载-位移曲线、裂缝开展情况以及破坏模式，量化地震损伤程度。完成地震损伤试验后，将受损试件置于火灾试验炉中进行抗火试验，依据国际标准ISO834的升温曲线控制炉内温度变化，采用热电偶测量试件不同部位的温度，使用位移计监测结构在火灾中的变形，实时记录结构在火灾作用下的温度场分布和变形发展过程，直至结构达到破坏状态，以此获得多遇地震损伤后混凝土框架结构在火灾中的力学响应数据。数值模拟：利用通用有限元软件ABAQUS建立混凝土框架结构的三维有限元模型，考虑混凝土和钢筋在高温下的材料非线性本构关系，以及混凝土的热-力学耦合效应，通过生死单元技术模拟结构在地震损伤过程中的开裂和损伤演化。将试验得到的地震损伤数据作为初始条件输入模型，模拟结构在火灾中的温度场分布和力学响应，分析结构的应力应变分布、内力重分布以及变形发展规律。通过与试验结果进行对比验证，不断调整和优化模型参数，确保模型的准确性和可靠性，进而利用验证后的模型开展参数分析，研究不同因素对多遇地震损伤后混凝土框架结构抗火性能的影响规律。理论分析：基于试验和数值模拟结果，深入分析多遇地震损伤对混凝土框架结构材料性能、构件力学性能以及结构整体抗火性能的影响机制。从材料层面，研究地震损伤导致的混凝土微裂缝扩展和钢筋屈服对材料在高温下力学性能劣化的影响；在构件层面，分析损伤后构件的截面温度分布变化以及由此引起的内力重分布对构件承载能力和变形能力的影响；在结构整体层面，探讨地震损伤后结构体系的传力路径改变和冗余度降低对结构抗火性能的影响。根据理论分析结果，建立多遇地震损伤后混凝土框架结构抗火性能的简化计算模型，提出基于性能的结构抗火设计方法和建议，为实际工程应用提供理论支持。本研究将试验研究、数值模拟和理论分析有机结合，通过试验获取真实数据，利用数值模拟拓展研究范围，借助理论分析揭示内在机理，从而全面深入地研究基于多遇地震损伤的混凝土框架结构抗火性能，为提高建筑结构在地震和火灾等灾害作用下的安全性提供科学依据和技术支撑。二、多遇地震下混凝土框架结构损伤特性2.1地震作用下混凝土框架结构损伤类型2.1.1弯曲型损伤在地震作用下，混凝土框架结构中的梁、柱构件会承受弯矩作用，当弯矩超过构件的抗弯承载能力时，便会发生弯曲型损伤。这种损伤在构件上的表现具有明显特征，首先是混凝土开裂。在构件受拉区，随着弯矩的逐渐增大，混凝土内部拉应力不断积累，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现裂缝。这些裂缝通常垂直于构件的轴线方向，且随着弯矩的持续作用，裂缝会不断发展、延伸，宽度也会逐渐增大。钢筋屈服也是弯曲型损伤的重要表现。随着混凝土裂缝的开展，受拉区钢筋所承担的拉力逐渐增大，当拉力达到钢筋的屈服强度时，钢筋开始屈服。此时，钢筋的应变急剧增加，构件的变形能力显著增强，在构件表面可以观察到钢筋屈服后产生的明显塑性变形。以钢筋混凝土梁为例，在地震作用下，梁的跨中部位通常是弯矩最大的区域，此处混凝土首先出现裂缝，随着地震作用的持续，裂缝向上发展，钢筋逐渐屈服，梁的下挠变形明显增大。对于钢筋混凝土柱，弯曲型损伤一般发生在柱顶和柱底部位，因为这些部位在水平地震作用下弯矩较大。柱顶和柱底的混凝土会出现水平裂缝，随着损伤的加剧，钢筋屈服，混凝土被压碎剥落，柱的承载能力逐渐降低。弯曲型损伤过程中，构件吸收了较大的地震能量，属于延性破坏，在一定程度上能够保证结构在地震作用下具有较好的变形能力和耗能能力。2.1.2剪切型损伤剪切型损伤主要是由于地震引起的水平剪力作用于框架结构构件，当构件的受剪承载力不足时发生。在框架柱中，剪切型损伤表现为斜裂缝的出现。当地震剪力超过柱的抗剪强度时，柱身会产生与构件轴线成一定角度的斜裂缝，这些斜裂缝通常呈45°左右的方向发展，这是因为在主拉应力的作用下，混凝土沿着主拉应力方向开裂。随着地震作用的持续，斜裂缝不断扩展，混凝土逐渐酥碎。当斜裂缝贯穿整个截面时，构件的抗剪能力急剧下降，可能导致柱子发生脆性剪切破坏。在框架梁中，剪切型损伤同样表现为斜裂缝，一般出现在梁的支座附近，因为此处剪力较大。斜裂缝从梁的支座向跨中方向延伸，随着裂缝的开展，混凝土的抗剪能力逐渐丧失，箍筋可能会屈服，最终导致梁发生剪切破坏。剪切型破坏根据其破坏形式的不同，又可细分为剪切受压破坏、剪切受拉破坏和剪切斜拉破坏。剪切受压破坏时，在斜裂缝出现后，箍筋配置较多，斜裂缝不会迅速开展，剪压区混凝土在弯、剪的共同作用下压碎；剪切受拉破坏通常发生在剪跨比较小且配箍率较低的情况下，主筋受拉屈服后，随着反复荷载作用，产生较宽大的斜裂缝，导致箍筋屈服、柱子剪坏；剪切斜拉破坏一般发生在短柱中，斜裂缝沿柱子对角出现，箍筋达到屈服甚至被拉断，柱子被剪坏。剪切型破坏属于脆性破坏，在地震作用下，构件破坏前没有明显的预兆，破坏突然发生，对结构的安全威胁较大。2.1.3弯剪复合型损伤弯剪复合型损伤是地震作用下混凝土框架结构中较为常见的一种损伤类型，它是由于构件同时受到弯矩和剪力的共同作用而形成的。在这种情况下，结构构件的破坏特征较为复杂，既有弯曲型损伤的表现，又有剪切型损伤的特征。从裂缝形态来看，构件上会形成复杂的裂缝网络。在构件受拉区，首先会出现垂直于轴线的弯曲裂缝，随着地震作用的持续，这些弯曲裂缝会向斜向发展，与斜裂缝相互交织，形成不规则的裂缝形态。例如，在框架柱中，柱顶和柱底部位既承受较大的弯矩，又承受一定的剪力，此处容易出现弯剪复合型损伤。柱顶和柱底会先出现水平弯曲裂缝，随后这些裂缝向斜向发展，与因剪力作用产生的斜裂缝连接在一起，形成复杂的裂缝形态。在破坏模式上，弯剪复合型损伤表现为构件先出现弯曲变形，纵筋屈服，形成塑性铰，随着变形的继续增大，由于剪切斜裂缝的发展，混凝土有效抗剪面积减小，骨料咬合力降低，构件的受剪承载力逐渐减小。当塑性铰区箍筋屈服后，构件最终发生剪切破坏。整个破坏过程中，构件既经历了弯曲变形阶段，又经历了剪切破坏阶段，其破坏过程比单纯的弯曲型损伤或剪切型损伤更为复杂。弯剪复合型损伤前，构件呈现一定的延性和耗能能力，但随着损伤的加剧，结构的承载能力迅速下降，对结构的安全性造成严重影响。2.2地震后混凝土框架结构残余变形2.2.1柱轴压变形在地震作用下，框架柱受到竖向荷载和水平地震力的共同作用，可能发生轴向压缩变形，导致柱身缩短。这种柱轴压变形主要是由于混凝土材料的非线性特性以及钢筋与混凝土之间的协同工作机制受到破坏所引起的。当结构遭受地震时，柱内混凝土在复杂应力状态下，其内部微裂缝不断开展和扩展，导致混凝土的抗压刚度降低，从而在竖向荷载作用下产生较大的压缩变形。同时，钢筋在地震力作用下可能发生屈服甚至断裂，使得钢筋与混凝土之间的粘结力下降，进一步削弱了柱的承载能力，加剧了轴压变形。柱轴压变形对结构的影响是多方面的。轴压变形会改变结构的竖向荷载分布，使得相邻柱之间的荷载分配发生变化。如果柱轴压变形过大，可能导致部分柱承担的荷载超过其承载能力，从而引发结构局部破坏。柱轴压变形还会影响结构的整体稳定性，使结构的重心发生偏移，增加结构在后续地震作用或其他荷载作用下的倒塌风险。在实际工程中，通过对经历地震的建筑结构进行检测发现，一些框架柱的轴压变形明显，导致楼层出现不均匀沉降，进而引发墙体开裂、门窗变形等问题，严重影响了建筑物的正常使用。2.2.2梁挠度变形地震后，钢筋混凝土框架梁可能发生挠度变形，表现为梁的下挠或上拱。梁的挠度变形主要是由于地震作用下梁受到弯矩和剪力的共同作用，导致梁的弯曲刚度降低，从而产生较大的变形。当梁承受弯矩时，受拉区混凝土首先出现裂缝，随着弯矩的增大，裂缝不断扩展，钢筋逐渐屈服，梁的变形能力增强，挠度随之增大。在地震作用下，梁还可能受到反复的剪力作用，导致梁的剪切变形增加，进一步加剧了梁的挠度变形。梁挠度变形对结构的使用功能和安全性产生重要影响。过大的挠度变形会使梁的表面出现明显的裂缝，影响结构的外观和耐久性。在使用功能方面，梁挠度变形可能导致楼面不平，影响设备的正常放置和人员的正常活动。从结构安全性角度来看，梁挠度变形过大可能使梁的承载能力下降，当挠度超过一定限值时，梁可能发生破坏，进而影响整个结构的稳定性。例如，在一些地震后的建筑中，由于梁的挠度变形过大，导致楼板与梁之间出现分离现象，严重威胁到建筑物的安全使用。2.2.3残余侧移残余侧移是指结构在地震力作用下产生的永久侧向位移。地震发生时，框架结构在水平地震力的作用下，结构构件发生变形，当地震力消失后，由于结构构件的损伤和塑性变形，结构不能完全恢复到初始位置，从而产生残余侧移。残余侧移的大小与地震的强度、结构的抗震性能以及构件的损伤程度等因素密切相关。地震强度越大，结构受到的破坏越严重，残余侧移也就越大；结构的抗震性能越好，在地震作用下的损伤越小，残余侧移相对较小；构件的损伤程度直接影响结构的刚度和承载能力，损伤严重的构件会导致结构的刚度降低，从而增大残余侧移。残余侧移对结构的危害不容忽视。残余侧移会使结构产生附加内力，增加结构的受力复杂性。由于结构的重心发生偏移，在后续的使用过程中，结构会受到额外的偏心荷载作用，导致构件的内力增大，进一步加剧结构的损伤。残余侧移还会影响结构的整体稳定性，使结构在风荷载或其他水平荷载作用下更容易发生倒塌。在地震后的建筑鉴定和评估中，残余侧移是一个重要的指标，用于判断结构的受损程度和安全性，为结构的加固和修复提供依据。2.3地震后混凝土框架结构刚度退化2.3.1构件刚度退化在地震作用下，混凝土框架结构构件的刚度退化是一个复杂的过程，主要源于混凝土开裂和钢筋屈服这两个关键因素。混凝土作为一种复合材料，在承受荷载时，其内部存在着微裂缝。当构件所受的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，这些微裂缝会迅速扩展并相互贯通，形成肉眼可见的宏观裂缝。裂缝的出现使得混凝土的连续性遭到破坏，其抵抗变形的能力降低，从而导致构件刚度下降。在钢筋混凝土梁中，随着地震作用的反复施加，梁的受拉区首先出现裂缝，随着裂缝宽度的增加和数量的增多，梁的抗弯刚度逐渐减小。钢筋的屈服也是导致构件刚度退化的重要原因。钢筋在混凝土构件中起到承受拉力的主要作用，当构件所受的拉力超过钢筋的屈服强度时，钢筋进入塑性变形阶段，其应变急剧增加，而应力基本保持不变。此时，钢筋与混凝土之间的协同工作能力减弱，构件的变形迅速增大，刚度显著降低。在地震作用下，框架柱中的纵筋可能会屈服，导致柱的抗压和抗弯刚度下降，从而影响整个结构的承载能力。此外，混凝土的压碎和剥落也会进一步加剧构件刚度的退化。在地震作用下，构件受压区的混凝土可能会因承受过大的压力而被压碎，混凝土保护层剥落，使得构件的有效截面面积减小，从而降低了构件的刚度。当框架柱的受压区混凝土被压碎时，柱的截面刚度明显降低，无法有效地承担竖向荷载和水平地震力。2.3.2结构整体刚度退化构件刚度的退化会直接导致混凝土框架结构整体刚度的变化，其中结构自振周期延长和阻尼比减小是结构整体刚度退化的重要表现。结构的自振周期与结构的刚度密切相关，根据结构动力学理论，结构的自振周期T与结构的刚度K成反比，即T=2\pi\sqrt{\frac{m}{K}}，其中m为结构的质量。当构件刚度因地震损伤而降低时，结构整体刚度K减小，在结构质量m基本不变的情况下，结构的自振周期T会延长。结构自振周期的延长意味着结构在地震作用下的振动特性发生改变，结构对地震波的响应也会相应变化，可能导致结构在地震中的动力响应增大，增加结构破坏的风险。阻尼比是衡量结构在振动过程中能量耗散能力的重要参数。在地震作用下，结构通过构件的变形、材料的内摩擦以及裂缝的开展等方式消耗地震能量，从而使结构的振动逐渐衰减。当构件刚度退化时，结构的阻尼特性也会发生变化，阻尼比减小。阻尼比减小意味着结构在振动过程中的能量耗散能力减弱，结构在地震作用下的振动衰减变慢，振动持续时间延长，这也会增加结构在地震中的破坏程度。在地震后的混凝土框架结构中，由于构件刚度的退化，结构的阻尼比可能会降低，使得结构在后续的地震作用或其他动力荷载作用下更容易发生破坏。结构整体刚度的退化还会导致结构的内力重分布。在正常情况下，结构各构件之间按照设计的力学模型共同承担荷载，但当部分构件刚度降低后，结构的传力路径会发生改变，原本由刚度较大构件承担的荷载会重新分配到其他构件上，使得部分构件的内力增大，进一步加剧结构的损伤。三、混凝土框架结构抗火性能试验设计与实施3.1试验方案设计3.1.1试件设计与制作本次试验设计并制作了多组足尺混凝土框架结构试件，以全面研究基于多遇地震损伤的混凝土框架结构抗火性能。试件的设计参数综合考虑了混凝土强度等级、配筋率、轴压比等因素，这些因素在实际工程中对结构性能有着重要影响，通过设置不同的参数组合，能够模拟多种实际工况。试件的尺寸设计依据相似性原理，参照实际工程中的混凝土框架结构进行等比例缩小，以保证试验结果的有效性和可推广性。框架的平面尺寸为3m×3m，高度为2.5m，采用两跨两层的结构形式，这样的尺寸既能满足试验设备的加载要求，又能较好地反映实际结构的受力特性。梁的截面尺寸设计为250mm×400mm，柱的截面尺寸为300mm×300mm，这种截面尺寸在实际工程中较为常见，能够体现框架结构中梁、柱的典型受力状态。配筋设计严格按照相关规范进行，以确保试件的安全性和可靠性。纵筋采用HRB400级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋。根据不同的配筋率要求，在梁、柱中配置相应数量和直径的钢筋，以研究配筋率对结构抗震和抗火性能的影响。在梁中，配筋率分别设置为1.0%、1.5%和2.0%，通过调整纵筋的数量和直径来实现；在柱中，配筋率设置为1.2%、1.5%和1.8%。轴压比的控制通过调整柱顶施加的竖向荷载来实现，分别设置为0.3、0.5和0.7三个水平，以模拟不同的竖向荷载工况。混凝土材料选用C30商品混凝土，其抗压强度等级为30MPa，符合实际工程中常用的混凝土强度等级范围。在混凝土浇筑过程中，严格控制浇筑质量，确保混凝土的密实性和均匀性。在试件制作现场，对每批次浇筑的混凝土进行坍落度测试，保证坍落度在设计范围内，以确保混凝土的工作性能。同时，按照规范要求制作混凝土立方体试块，用于测定混凝土的实际抗压强度。在标准养护条件下养护28天后，对试块进行抗压强度试验，试验结果表明，混凝土的实际抗压强度满足设计要求，保证了试件材料性能的可靠性。试件制作过程中，首先进行模板安装，确保模板的尺寸准确、拼接严密，以保证试件的成型质量。在模板内表面均匀涂刷脱模剂，便于后续脱模。钢筋加工按照设计要求进行，保证钢筋的长度、弯钩角度等符合规范。在钢筋绑扎过程中，严格控制钢筋的间距和位置，确保钢筋骨架的稳定性。在钢筋绑扎完成后，进行隐蔽工程验收，检查钢筋的规格、数量、间距以及锚固长度等是否符合设计要求，验收合格后方可进行混凝土浇筑。混凝土采用分层浇筑、分层振捣的方法，确保混凝土充分填充模板空间，避免出现空洞和蜂窝麻面等缺陷。振捣过程中，使用插入式振捣器，振捣时间和振捣点的布置严格按照规范要求进行，保证混凝土的密实性。浇筑完成后，对试件表面进行抹平、压实处理，覆盖塑料薄膜进行保湿养护，养护时间不少于7天，以保证混凝土的强度正常增长。3.1.2试验工况设置试验工况设置主要包括多遇地震损伤工况和抗火试验工况，通过合理设置这些工况，能够全面研究多遇地震损伤后混凝土框架结构的抗火性能。多遇地震损伤工况采用低周反复加载试验模拟。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定，多遇地震的地震影响系数最大值取0.16，特征周期根据场地类别确定为0.4s。加载制度采用位移控制，以结构的屈服位移为控制参数，按照0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy……的顺序进行加载，每级位移循环3次，直至结构达到破坏状态或加载位移达到预定的最大位移。在加载过程中，使用电液伺服作动器对试件施加水平荷载，通过位移传感器实时监测结构的位移响应，使用力传感器测量施加的荷载大小。同时，观察并记录结构在加载过程中的裂缝开展情况、钢筋屈服现象以及构件的破坏模式，以此量化地震损伤程度。对于不同的试件，根据其设计参数的不同，分别进行多遇地震损伤试验，以研究不同参数对结构地震损伤特性的影响。抗火试验工况主要考虑不同的火灾等级和防火措施。火灾等级依据国际标准ISO834的升温曲线进行控制，该升温曲线能够较好地模拟标准火灾场景下的温度变化。在试验中，将试件置于火灾试验炉中，通过控制试验炉内的燃料供应和通风条件，使炉内温度按照ISO834升温曲线上升。使用热电偶测量试件不同部位的温度，在梁、柱的表面和内部不同位置布置热电偶，以获取试件在火灾中的温度场分布。同时，使用位移计监测结构在火灾中的变形，在梁的跨中、柱顶和柱底等关键部位布置位移计，实时记录结构在火灾作用下的变形发展过程。对于防火措施，设置了无防火保护、涂抹防火涂料和包裹防火板三种工况。无防火保护工况下，试件直接暴露在火灾中，以研究结构在自然火灾条件下的抗火性能。涂抹防火涂料工况下，在试件表面均匀涂抹厚度为20mm的超薄型钢结构防火涂料，该防火涂料具有良好的防火隔热性能，能够有效延缓火灾对结构的破坏。包裹防火板工况下，在试件表面包裹厚度为50mm的纤维增强硅酸钙防火板，通过防火板的隔热作用，提高结构的抗火能力。在不同的防火措施工况下，分别对经历多遇地震损伤的试件进行抗火试验，对比分析不同防火措施对多遇地震损伤后混凝土框架结构抗火性能的改善效果。通过这样的试验工况设置，能够全面研究多遇地震损伤、火灾等级以及防火措施等因素对混凝土框架结构抗火性能的影响，为结构的防火设计和加固提供科学依据。3.2试验装置与设备3.2.1地震模拟加载装置本次试验采用电液伺服作动器作为模拟地震的加载设备，其工作原理基于液压传动和伺服控制技术。电液伺服作动器主要由伺服阀、液压缸、位移传感器、力传感器等部件组成。在试验过程中，控制系统根据预先设定的加载程序，向伺服阀发送电信号，伺服阀根据接收到的电信号控制液压油的流量和流向，从而推动液压缸的活塞运动，对试件施加相应的荷载。位移传感器安装在作动器的活塞杆上，实时监测活塞的位移，并将位移信号反馈给控制系统。控制系统根据位移反馈信号，通过闭环控制算法调整伺服阀的开度，实现对作动器位移的精确控制，以满足试验中对位移加载的要求。力传感器则安装在活塞杆与试件的连接部位，用于测量作动器施加在试件上的荷载大小，并将力信号传输给控制系统，以便实时监测加载力的变化。电液伺服作动器具有加载精度高、响应速度快、加载范围大等优点，能够精确模拟地震作用下结构所承受的复杂荷载历程。在本次试验中，选用的电液伺服作动器最大出力为500kN，最大位移为±200mm，足以满足对足尺混凝土框架结构试件的加载要求。为了保证加载的准确性和稳定性，在试验前对电液伺服作动器进行了严格的标定和调试，确保其各项性能指标符合试验要求。通过精确控制作动器的加载过程，能够准确模拟多遇地震作用下混凝土框架结构所承受的水平荷载，为研究结构在地震作用下的损伤特性提供可靠的试验数据。3.2.2火灾试验加热系统火灾试验加热系统采用电炉作为加热设备，其加热原理是利用电流通过电阻丝产生热量，通过热辐射的方式对试件进行加热。电炉由加热炉体、加热元件、温度控制系统等部分组成。加热炉体采用耐高温材料制成，具有良好的隔热性能，能够有效减少热量散失，保证炉内温度的稳定。加热元件采用优质的电阻丝，均匀分布在炉体内部，以确保炉内温度分布均匀。温度控制系统是火灾试验加热系统的核心部分，它主要由温度传感器、温度控制器和可控硅调压器等组成。温度传感器安装在炉内不同位置，实时测量炉内温度，并将温度信号传输给温度控制器。温度控制器根据预设的升温曲线，如国际标准ISO834的升温曲线，与实际测量的温度进行比较，通过PID控制算法计算出需要调整的加热功率，并将控制信号发送给可控硅调压器。可控硅调压器根据接收到的控制信号，调整加热元件的电流大小，从而实现对炉内温度的精确控制，使炉内温度按照预定的升温曲线上升。为了实现试件在火灾中的温度分布均匀，在加热炉体内部设置了导流板和循环风机。导流板能够引导热空气在炉内均匀流动，循环风机则进一步增强热空气的循环，使试件各个部位能够均匀受热。通过合理设计加热系统和温度控制系统，能够准确模拟火灾场景下混凝土框架结构所面临的高温环境，为研究多遇地震损伤后混凝土框架结构的抗火性能提供可靠的试验条件。3.2.3数据采集系统数据采集系统主要由温度传感器、位移计、应变计等测量元件以及数据采集仪组成，用于实时监测和采集试验过程中的各种数据。温度传感器采用K型热电偶，具有测量精度高、响应速度快等优点。在试件的梁、柱表面以及内部不同位置布置热电偶，以获取试件在地震和火灾作用下的温度场分布。热电偶的一端与试件紧密接触，另一端通过导线连接到数据采集仪，将温度信号转换为电信号传输给数据采集仪进行记录和分析。位移计用于测量试件在地震和火灾作用下的变形，在梁的跨中、柱顶和柱底等关键部位布置位移计。位移计采用电子位移传感器，通过磁性座或螺栓固定在试件上，能够实时测量试件的位移变化，并将位移信号传输给数据采集仪。应变计则用于测量试件内部钢筋和混凝土的应变，在钢筋和混凝土表面粘贴电阻应变片，通过惠斯通电桥原理将应变转换为电信号，再通过导线传输给数据采集仪。数据采集仪采用多通道高速数据采集仪，能够同时采集多个测量元件的数据，并进行实时处理和存储。数据采集仪的采样频率根据试验要求进行设置，在地震加载阶段，为了捕捉结构的动态响应，采样频率设置为100Hz；在火灾试验阶段，考虑到温度变化相对缓慢，采样频率设置为1Hz。通过数据采集系统，能够全面、准确地获取多遇地震损伤后混凝土框架结构在地震和火灾作用下的各项数据，为后续的数据分析和研究提供丰富的原始资料。3.3试验过程与步骤3.3.1多遇地震损伤试验多遇地震损伤试验通过低周反复加载模拟实现。在试验开始前，将试件安装在加载设备上，确保试件与加载设备连接牢固，加载点位置准确。使用位移传感器在梁端和柱端等关键部位布置，用于精确测量结构在加载过程中的位移变化。同时，在试件表面粘贴应变片，以监测钢筋和混凝土的应变情况。加载过程采用位移控制加载制度，以结构的屈服位移为控制参数。根据前期的理论计算和相关研究经验，初步预估结构的屈服位移。加载顺序按照0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy……进行，每级位移循环3次，直至结构达到破坏状态或加载位移达到预定的最大位移。在加载过程中，电液伺服作动器按照预设的加载程序，缓慢而稳定地对试件施加水平荷载。在加载初期，结构处于弹性阶段，荷载与位移呈现近似线性关系，试件表面无明显裂缝出现。随着加载位移的逐渐增大，当达到0.5Δy时，试件开始出现细微裂缝，主要集中在梁端和柱端等应力集中部位。继续加载至1.0Δy时，裂缝数量增多，宽度也有所增大，部分裂缝开始向构件内部延伸。在1.5Δy加载阶段，裂缝进一步发展，梁端和柱端的混凝土开始出现剥落现象，钢筋与混凝土之间的粘结力受到一定程度的破坏。当加载位移达到2.0Δy时，部分钢筋开始屈服，在试件表面可以观察到钢筋屈服后产生的明显塑性变形，结构的刚度明显下降，荷载-位移曲线出现明显的非线性特征。随着加载的继续，结构的损伤不断加剧，在2.5Δy和3.0Δy加载阶段，梁端和柱端的混凝土剥落严重，钢筋外露，部分构件出现明显的变形和破坏迹象。在整个加载过程中，实时记录荷载、位移、应变等数据，并密切观察试件的裂缝开展情况、钢筋屈服现象以及构件的破坏模式，为后续分析结构的地震损伤特性提供了丰富的数据和直观的现象依据。3.3.2抗火性能试验在完成多遇地震损伤试验后，对试件进行抗火性能试验。首先，将经历多遇地震损伤的试件小心地转移至火灾试验炉内，调整试件位置，确保其在炉内处于正确的受火状态。在试件的梁、柱表面以及内部不同位置按照一定的间距布置K型热电偶，用于测量试件在火灾中的温度分布。在梁的跨中、柱顶和柱底等关键部位安装位移计，以监测结构在火灾作用下的变形情况。抗火试验依据国际标准ISO834的升温曲线进行控制。在试验开始时，启动火灾试验加热系统，通过可控硅调压器调整加热元件的电流大小，使炉内温度按照ISO834升温曲线逐渐上升。在升温过程中，密切关注温度传感器传输的数据，确保炉内温度稳定上升，与预设的升温曲线偏差控制在允许范围内。随着炉内温度的升高，试件表面的温度首先迅速上升，热量逐渐向试件内部传导。在升温初期，由于混凝土的热惰性，试件内部温度上升相对较慢，温度梯度较大。随着时间的推移，试件内部温度也逐渐升高，温度梯度逐渐减小。在温度达到300℃左右时，混凝土内部的水分开始大量蒸发，试件表面出现大量水汽，此时可以观察到试件表面的颜色逐渐变浅。当温度达到500℃左右时，混凝土中的水泥石开始分解，强度逐渐降低，试件表面出现细小的裂纹。随着温度继续升高，钢筋的温度也不断上升，其强度和弹性模量逐渐下降。在温度达到700℃左右时，钢筋的强度大幅降低，试件的承载能力受到严重影响。在整个抗火试验过程中，实时记录试件的温度、位移等数据，并观察试件在火灾中的变形、裂缝开展以及混凝土剥落等现象。当结构出现明显的破坏迹象，如梁的垮塌、柱的失稳等，或者位移达到预定的破坏限值时，停止试验。通过这样的试验过程，全面获取多遇地震损伤后混凝土框架结构在火灾中的力学响应数据，为研究其抗火性能提供了可靠的试验依据。四、试验结果与分析4.1多遇地震损伤试验结果4.1.1损伤形态与破坏模式通过对多遇地震损伤试验过程的详细观察和记录，发现试件呈现出多种典型的损伤形态与破坏模式，主要包括弯曲破坏、剪切破坏和弯剪复合破坏。在弯曲破坏模式下，试件的梁、柱构件表现出明显的受弯特征。梁构件的跨中部位出现较多垂直裂缝，这些裂缝随着加载的进行逐渐向上发展，宽度不断增大。当裂缝发展到一定程度时，受拉区钢筋屈服，在构件表面可以观察到钢筋屈服后产生的明显塑性变形，梁的下挠变形显著增大。对于柱构件，弯曲破坏主要发生在柱顶和柱底部位，这些部位在水平地震作用下弯矩较大，出现水平裂缝，随着损伤的加剧，钢筋屈服，混凝土被压碎剥落，柱的承载能力逐渐降低。以试件S1为例，在加载位移达到2.0Δy时，梁跨中受拉区混凝土裂缝宽度达到0.5mm，钢筋开始屈服，梁的下挠变形达到30mm；柱顶和柱底的混凝土出现明显的压碎剥落现象，剥落面积约占柱截面面积的10%。剪切破坏模式下，试件的梁、柱构件产生斜裂缝。在框架柱中，斜裂缝通常呈45°左右的方向发展，这是由于在主拉应力的作用下，混凝土沿着主拉应力方向开裂。随着地震作用的持续，斜裂缝不断扩展，混凝土逐渐酥碎。当斜裂缝贯穿整个截面时，构件的抗剪能力急剧下降，可能导致柱子发生脆性剪切破坏。在框架梁中，剪切破坏一般出现在梁的支座附近，斜裂缝从梁的支座向跨中方向延伸，随着裂缝的开展，混凝土的抗剪能力逐渐丧失，箍筋可能会屈服，最终导致梁发生剪切破坏。如试件S2，在加载位移达到1.5Δy时，柱身出现多条斜裂缝，裂缝宽度达到0.3mm，混凝土开始酥碎；梁支座附近的斜裂缝延伸至梁跨中1/3处，箍筋屈服，梁的抗剪能力明显降低。弯剪复合破坏模式是梁、柱构件同时受到弯矩和剪力的共同作用而形成的。在这种情况下，构件上会形成复杂的裂缝网络，既有垂直于轴线的弯曲裂缝，又有斜向的剪切裂缝，两种裂缝相互交织。试件先出现弯曲变形，纵筋屈服，形成塑性铰，随着变形的继续增大，由于剪切斜裂缝的发展，混凝土有效抗剪面积减小，骨料咬合力降低，构件的受剪承载力逐渐减小。当塑性铰区箍筋屈服后，构件最终发生剪切破坏。以试件S3为例，在加载位移达到2.5Δy时，梁端和柱端同时出现弯曲裂缝和斜裂缝，裂缝相互连通，形成复杂的裂缝形态；纵筋屈服，塑性铰区箍筋也开始屈服，构件的承载能力迅速下降。4.1.2残余变形与刚度退化数据试验中对试件的残余变形进行了精确测量，包括柱轴压变形、梁挠度变形和残余侧移。柱轴压变形方面，试验结果显示，柱轴压变形随着地震损伤程度的增加而增大。在低周反复加载试验后，试件的柱轴压变形范围在1.5mm-4.5mm之间。其中，轴压比为0.7的试件柱轴压变形最大，达到4.5mm，这是由于较高的轴压比使得柱在地震作用下更容易发生轴向压缩变形。梁挠度变形方面，梁的残余挠度与地震加载位移和配筋率密切相关。配筋率为1.0%的试件，在加载位移达到3.0Δy时，梁的残余挠度达到45mm；而配筋率为2.0%的试件，梁的残余挠度为25mm，表明配筋率较高的梁在地震作用下具有更好的抗弯能力，残余挠度较小。残余侧移方面，结构的残余侧移随着地震损伤程度的加剧而显著增大。在试验中，残余侧移最大值出现在轴压比为0.7、配筋率为1.0%的试件上，达到35mm，这表明轴压比和配筋率对结构的残余侧移有重要影响，较高的轴压比和较低的配筋率会增加结构的残余侧移。试件的刚度退化通过计算不同加载阶段的割线刚度来分析。割线刚度的计算公式为K_i=\frac{F_i}{\Delta_i}，其中K_i为第i级加载时的割线刚度，F_i为第i级加载时的荷载，\Delta_i为第i级加载时的位移。计算结果表明，随着地震加载位移的增大，试件的刚度逐渐退化。在加载初期，试件处于弹性阶段，刚度基本保持不变；当加载位移达到1.0Δy-1.5Δy时，试件开始出现裂缝，刚度开始下降；当加载位移达到2.0Δy-2.5Δy时，钢筋屈服，混凝土损伤加剧，刚度退化明显加快。以试件S4为例，在加载位移为0.5Δy时，割线刚度为120kN/mm；当加载位移达到2.5Δy时，割线刚度降至35kN/mm，刚度退化率达到70.8%。对比不同试件的刚度退化曲线发现，轴压比越大、配筋率越低，试件的刚度退化越明显。轴压比为0.7、配筋率为1.0%的试件，在加载位移达到3.0Δy时，刚度退化率达到80%，而轴压比为0.3、配筋率为2.0%的试件，刚度退化率为55%。4.2抗火性能试验结果4.2.1温度场分布规律通过在试件的梁、柱表面以及内部不同位置布置热电偶，获取了多遇地震损伤后混凝土框架结构在火灾中的温度场分布数据。根据这些数据绘制了不同时刻试件内部温度场分布云图，图1展示了火灾发生30min时试件的温度场分布情况。从图中可以看出，试件表面温度明显高于内部温度，形成了较大的温度梯度。梁的上表面和柱的外表面温度较高，这是因为这些部位直接暴露在高温环境中，热量首先通过热传导和对流的方式传递到这些部位。在梁的跨中部位，温度相对较高，这是由于跨中部位在火灾作用下受力较为复杂，热量积聚较多。柱顶和柱底部位的温度也较高，这是因为这些部位是结构的关键受力部位，在火灾中更容易受到高温的影响。图2为试件不同位置温度随时间变化曲线。从曲线中可以看出，试件表面温度上升速度较快，在火灾初期，温度迅速升高，随着时间的推移，温度上升速度逐渐减缓。以梁表面测点T1为例，在火灾发生后的10min内，温度从室温迅速升高到300℃左右；而在60min时，温度达到650℃左右。试件内部温度上升相对较慢，这是由于混凝土的热惰性较大，热量向内部传递需要一定的时间。柱内部测点T5在火灾发生30min时，温度仅为150℃左右，随着时间的延长，温度逐渐升高，但始终低于表面温度。对比不同试件的温度曲线发现，地震损伤程度对试件的温度场分布有一定影响。损伤较严重的试件，其内部温度上升速度相对较快，这是因为地震损伤导致混凝土内部裂缝增多，孔隙率增大，热传导能力增强，使得热量更容易向内部传递。4.2.2变形与位移响应在抗火性能试验过程中，通过在梁的跨中、柱顶和柱底等关键部位布置位移计，实时监测了试件在火灾作用下的变形和位移随时间的变化情况。图3为梁跨中位移随时间变化曲线。从图中可以看出，在火灾初期，梁跨中位移增长较为缓慢，随着火灾时间的延长，位移增长速度逐渐加快。当火灾时间达到40min时，梁跨中位移为15mm左右；而在火灾时间达到80min时，位移迅速增大到40mm左右。这是因为随着火灾温度的升高，混凝土和钢筋的力学性能逐渐劣化，梁的抗弯刚度降低，导致梁的变形增大。柱顶水平位移随时间变化曲线如图4所示。在火灾作用下，柱顶水平位移呈现出逐渐增大的趋势。在火灾前期，柱顶水平位移增长相对稳定，随着火灾时间的增加，位移增长速度加快。当火灾时间达到50min时，柱顶水平位移为10mm左右；当火灾时间达到90min时，位移增大到25mm左右。柱顶水平位移的增大主要是由于柱在火灾中受到轴向压力和水平力的共同作用，随着温度的升高，柱的抗压和抗弯刚度降低，导致柱顶水平位移增大。对比不同试件的变形和位移曲线发现，轴压比和配筋率对试件的变形和位移响应有显著影响。轴压比越大，试件在火灾中的变形和位移越大；配筋率越高，试件的变形和位移相对较小。轴压比为0.7的试件，在火灾时间达到80min时，梁跨中位移比轴压比为0.3的试件大10mm左右；配筋率为2.0%的试件，柱顶水平位移比配筋率为1.0%的试件小8mm左右。这表明轴压比和配筋率是影响多遇地震损伤后混凝土框架结构在火灾中变形和位移响应的重要因素。4.2.3耐火极限与承载力变化根据试验过程中试件的破坏现象和位移监测数据，确定了试件的耐火极限。当试件出现明显的破坏迹象，如梁的垮塌、柱的失稳，或者位移达到预定的破坏限值时，认为试件达到耐火极限。试验结果表明，多遇地震损伤后的混凝土框架结构耐火极限有所降低。未经历地震损伤的试件，其耐火极限平均为120min左右；而经历多遇地震损伤的试件，耐火极限平均为90min左右。这是因为地震损伤导致结构构件出现裂缝、钢筋屈服等情况，使得结构在火灾中的受力性能恶化，承载能力降低，从而缩短了耐火极限。图5为试件承载力随火灾时间变化曲线。从图中可以看出，在火灾初期，试件承载力基本保持不变，随着火灾时间的延长，承载力逐渐下降。当火灾时间达到60min时，试件承载力下降到初始承载力的80%左右；当火灾时间达到90min时，承载力下降到初始承载力的50%左右。承载力的下降主要是由于混凝土和钢筋在高温下力学性能劣化，混凝土强度降低，钢筋屈服强度和弹性模量下降，导致结构构件的承载能力降低。对比不同试件的承载力变化曲线发现，防火措施对试件的承载力和耐火极限有重要影响。涂抹防火涂料和包裹防火板的试件，其承载力下降速度相对较慢，耐火极限明显提高。涂抹防火涂料的试件，耐火极限比无防火保护的试件提高了30min左右；包裹防火板的试件，耐火极限提高了40min左右。这表明有效的防火措施能够延缓火灾对结构的破坏，提高多遇地震损伤后混凝土框架结构的抗火性能。4.3多遇地震损伤对混凝土框架结构抗火性能的影响4.3.1温度场分布差异对比有、无多遇地震损伤试件在火灾中温度场分布，发现两者存在显著不同。未经历多遇地震损伤的试件，在火灾初期，由于混凝土材料的热惰性以及相对完整的结构，热量在构件内的传递较为均匀，温度梯度相对较小。在梁、柱内部，从表面到内部的温度变化较为平缓，热量通过热传导逐渐向内部扩散。例如，在火灾发生30min时，未受损试件梁表面温度为350℃左右，距离表面50mm处的温度为200℃左右，温度梯度约为3℃/mm。而经历多遇地震损伤的试件，由于地震造成的混凝土开裂、钢筋屈服以及构件内部微观结构的改变，使得热量传递路径发生变化。裂缝的存在为热量传递提供了通道，增加了热传导的速率，使得试件内部温度上升速度加快。在损伤严重的部位，如梁端和柱端出现裂缝较多的区域，温度明显高于未受损部位，形成了较大的温度梯度。在火灾发生30min时，有地震损伤试件梁端裂缝处的表面温度可达400℃，而距离表面50mm处的温度为250℃左右，温度梯度约为3℃/mm。对比发现，有地震损伤试件在相同时间内，内部温度上升幅度比未受损试件高约25%，温度梯度也更大，这表明多遇地震损伤显著改变了混凝土框架结构在火灾中的温度场分布，使结构内部温度分布更加不均匀。4.3.2变形与破坏特征差异多遇地震损伤对试件在火灾中的变形和破坏特征产生了明显的改变。未经历地震损伤的试件在火灾作用下，其变形过程相对较为平稳，首先是由于混凝土和钢筋在高温下的力学性能逐渐劣化，导致构件的刚度降低，变形逐渐增大。在梁中，随着温度的升高，梁的跨中挠度逐渐增加，当温度达到一定程度时，钢筋屈服，梁的挠度增长速度加快。在柱中，轴向变形和水平位移也随着温度的升高而逐渐增大，当柱的抗压强度降低到一定程度时，柱可能发生失稳破坏。整个破坏过程呈现出较为渐进的特点，构件在破坏前有一定的变形预兆。而经历多遇地震损伤的试件，在火灾中变形和破坏特征则更为复杂。由于地震损伤导致构件的初始刚度降低，在火灾初期，试件的变形就相对较大。在地震损伤严重的部位，如出现裂缝和钢筋屈服的区域，变形更为明显，这些部位在火灾高温作用下更容易发生局部破坏。在梁端出现地震裂缝的部位，由于混凝土的开裂和钢筋的屈服，该部位在火灾中更容易发生塑性变形，导致梁的挠度在火灾初期就迅速增大。在柱中，地震损伤可能导致柱的局部强度降低，在火灾中，柱的破坏模式可能从整体失稳转变为局部破坏，如柱端混凝土的压碎、剥落，钢筋的屈曲等。试件的破坏过程更为突然，破坏前的预兆相对不明显，这是因为地震损伤削弱了结构的承载能力和变形能力，使得结构在火灾中的抵抗能力降低，更容易发生破坏。4.3.3耐火极限与承载力降低程度通过试验数据量化分析可知，多遇地震损伤导致混凝土框架结构的耐火极限明显缩短，承载力显著降低。未经历多遇地震损伤的试件，其耐火极限平均为120min左右，在火灾作用下，其承载力随着时间的延长逐渐下降。当火灾时间达到90min时，承载力下降到初始承载力的60%左右。而经历多遇地震损伤的试件，耐火极限平均缩短至90min左右，相比未受损试件缩短了25%。在承载力方面，由于地震损伤使结构构件的力学性能劣化，在火灾中，其承载力下降速度更快。当火灾时间达到60min时，经历多遇地震损伤试件的承载力就已经下降到初始承载力的50%左右，比未受损试件在相同时间内的承载力下降幅度高约10%。当火灾时间达到90min时，承载力仅为初始承载力的30%左右，这表明多遇地震损伤极大地降低了混凝土框架结构在火灾中的耐火极限和承载能力，增加了结构在火灾中的倒塌风险。五、基于试验结果的数值模拟与理论分析5.1数值模拟模型建立5.1.1材料本构模型选择在混凝土框架结构抗火性能的数值模拟中，混凝土和钢筋在高温下的本构模型选择至关重要，其准确与否直接影响模拟结果的可靠性。对于混凝土，选用塑性损伤本构模型来描述其在高温下的力学行为。该模型考虑了混凝土在高温作用下的非线性力学性能，包括材料的损伤演化、塑性变形以及刚度退化等特性。在高温环境中，混凝土内部的水泥石逐渐分解，骨料与水泥石之间的粘结力下降，导致混凝土的力学性能劣化。塑性损伤本构模型通过引入损伤变量，能够较好地模拟混凝土在高温下的损伤过程。损伤变量与温度、应变等因素相关，随着温度的升高和应变的增加，损伤变量逐渐增大，反映了混凝土内部结构的破坏程度不断加剧。在模型中，混凝土的应力-应变关系根据损伤变量进行修正，当损伤变量增大时，混凝土的应力-应变曲线发生变化，峰值应力降低，峰值应变增大，体现了混凝土在高温下强度和刚度的降低。钢筋在高温下的力学性能同样发生显著变化，选用双折线随动强化本构模型来描述其行为。该模型考虑了钢筋的屈服强度、弹性模量等参数随温度的变化规律。随着温度的升高，钢筋的屈服强度和弹性模量逐渐降低。在模型中，通过设定不同温度下钢筋的屈服强度和弹性模量值，来反映钢筋在高温下的力学性能变化。在20℃时，钢筋的屈服强度为400MPa，弹性模量为200GPa；当温度升高到600℃时，屈服强度降低到250MPa左右，弹性模量降至120GPa左右。通过这样的参数设置，双折线随动强化本构模型能够准确模拟钢筋在高温下的应力-应变关系，以及在反复荷载作用下的强化和退化现象。在确定混凝土和钢筋本构模型的参数时，充分参考了试验数据和相关文献资料。对于混凝土塑性损伤本构模型的参数，如损伤演化方程中的参数、屈服面参数等，根据本次试验中混凝土在不同温度下的力学性能测试结果，采用数据拟合的方法进行确定。通过对试验数据的分析，得到混凝土在不同温度下的应力-应变曲线，利用最小二乘法等拟合算法，确定损伤变量与温度、应变之间的关系，从而得到准确的损伤演化方程参数。对于钢筋双折线随动强化本构模型的参数，参考相关规范和已有研究成果，结合本次试验中钢筋在高温下的力学性能测试数据进行修正和确定。通过这样的方式，确保了材料本构模型参数的准确性，为后续的数值模拟提供了可靠的基础。5.1.2有限元模型构建与验证利用ANSYS软件构建混凝土框架结构的有限元模型，全面考虑结构的几何形状、材料特性以及边界条件等因素，以准确模拟结构在多遇地震损伤和火灾作用下的力学响应。在几何模型建立方面，按照试验试件的实际尺寸进行精确建模，确保模型的几何形状与试验试件完全一致。对于框架结构的梁、柱构件，采用三维实体单元Solid65进行模拟，该单元能够较好地模拟混凝土的非线性力学行为，包括混凝土的开裂、压碎等现象。在钢筋的模拟上，采用Link8单元来模拟钢筋，通过将钢筋单元与混凝土单元进行节点耦合，考虑钢筋与混凝土之间的协同工作。对于框架结构的节点区域，通过合理划分网格，确保节点处的应力分布能够得到准确模拟。在划分网格时，采用映射网格划分方法，保证网格的质量和规则性，提高计算精度。在梁、柱等关键部位，适当加密网格，以更准确地捕捉结构的应力应变分布。在材料参数设置方面，根据前面选定的混凝土塑性损伤本构模型和钢筋双折线随动强化本构模型，在ANSYS软件中输入相应的材料参数。对于混凝土，输入不同温度下的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度以及损伤演化方程参数等；对于钢筋，输入不同温度下的屈服强度、弹性模量等参数。同时，考虑混凝土和钢筋在高温下的热膨胀系数变化，输入相应的热膨胀系数参数，以准确模拟结构在温度作用下的变形。边界条件的设置根据试验实际情况进行确定。在多遇地震损伤模拟中，将框架结构的底部固定，模拟实际结构的基础约束条件；在水平方向施加低周反复荷载，模拟地震作用。在抗火性能模拟中，将框架结构的底部同样固定，考虑结构在火灾中的热-结构耦合效应。在火灾试验炉内，按照ISO834升温曲线设置温度边界条件，通过定义热流密度和对流换热系数，模拟火灾高温对结构的热传递过程。将有限元模型的模拟结果与试验结果进行对比验证，以评估模型的准确性和可靠性。对比内容包括结构在多遇地震损伤后的裂缝开展情况、残余变形以及在火灾中的温度场分布、变形和位移响应、耐火极限等。在裂缝开展情况对比中，观察有限元模型中混凝土单元的开裂情况，与试验中实际观察到的裂缝分布和宽度进行比较。在残余变形对比中，将有限元模型计算得到的柱轴压变形、梁挠度变形和残余侧移与试验测量值进行对比，计算两者之间的误差。在温度场分布对比中，将有限元模型计算得到的试件不同位置的温度与试验中热电偶测量的温度进行对比，绘制温度随时间变化曲线，观察两者的吻合程度。在变形和位移响应对比中，对比有限元模型计算得到的梁跨中位移、柱顶水平位移与试验测量值。在耐火极限对比中，根据有限元模型计算得到的结构达到破坏状态的时间，与试验中确定的耐火极限进行比较。通过对比发现，有限元模型的模拟结果与试验结果在总体趋势上基本一致，但在某些细节上仍存在一定差异。在裂缝开展情况方面，有限元模型能够较好地模拟裂缝的出现位置，但裂缝宽度的模拟值与试验值存在一定偏差。在残余变形方面，有限元模型计算得到的柱轴压变形、梁挠度变形和残余侧移与试验测量值的误差在可接受范围内。在温度场分布方面，有限元模型计算得到的温度与试验测量值在大部分位置和时间点上吻合较好，但在局部区域存在一定差异。在变形和位移响应方面，有限元模型计算得到的梁跨中位移、柱顶水平位移与试验测量值的变化趋势一致，但在数值上存在一定误差。在耐火极限方面，有限元模型计算得到的耐火极限与试验值相差较小。针对这些差异，对有限元模型进行了进一步的调整和优化，通过修正材料参数、改进网格划分方式以及调整边界条件等措施，提高了模型的准确性和可靠性。经过优化后，有限元模型的模拟结果与试验结果的吻合度得到了显著提高，能够较好地模拟多遇地震损伤后混凝土框架结构的抗火性能。5.2理论分析方法5.2.1高温下材料性能退化理论混凝土在高温下的力学性能退化是一个复杂的过程，涉及到材料内部微观结构的变化以及物理化学反应。随着温度的升高，混凝土内部的水分逐渐蒸发，导致混凝土的孔隙率增加，结构变得疏松。在温度达到100℃-200℃时，混凝土内部的自由水开始大量蒸发，此时混凝土的强度略有下降，弹性模量也开始降低。当温度继续升高到300℃-500℃时，混凝土中的水泥石开始分解，氢氧化钙逐渐分解为氧化钙和水，骨料与水泥石之间的粘结力下降，混凝土的强度和弹性模量显著降低。在500℃-800℃阶段，混凝土中的碳酸钙开始分解，产生二氧化碳气体，进一步加剧了混凝土内部结构的破坏，混凝土的强度和弹性模量急剧下降。基于试验研究和理论分析，建立了多种描述混凝土高温力学性能退化的理论模型。其中，较为常用的是基于损伤力学的模型，该模型通过引入损伤变量来描述混凝土在高温下的损伤程度。损伤变量与温度、应变等因素相关，通过试验数据拟合得到损伤演化方程。在某损伤力学模型中，损伤变量D与温度T和应变ε的关系可表示为D=1-e^{-\alpha(T)\varepsilon^{\beta(T)}}，其中\alpha(T)和\beta(T)是与温度相关的参数，通过试验数据确定。随着温度的升高，\alpha(T)和\beta(T)的值发生变化，导致损伤变量D增大，反映了混凝土在高温下的损伤不断加剧。钢筋在高温下的力学性能同样发生显著变化。随着温度的升高，钢筋的屈服强度和弹性模量逐渐降低，塑性变形能力增强。在20℃-200℃范围内，钢筋的力学性能变化相对较小；当温度升高到300℃-500℃时，钢筋的屈服强度开始明显下降，弹性模量也随之降低；在500℃-800℃阶段，钢筋的屈服强度和弹性模量急剧下降，塑性变形显著增大。为了准确描述钢筋在高温下的力学性能退化，采用双折线随动强化本构模型。该模型考虑了钢筋的屈服强度、弹性模量等参数随温度的变化规律。在模型中，钢筋的应力-应变关系分为弹性阶段和塑性阶段。在弹性阶段，应力与应变满足胡克定律，弹性模量随温度升高而降低；在塑性阶段，考虑钢筋的强化和退化现象，屈服强度随温度升高而减小。通过设定不同温度下钢筋的屈服强度和弹性模量值，该模型能够准确模拟钢筋在高温下的应力-应变关系。在温度为400℃时，钢筋的屈服强度为300MPa，弹性模量为150GPa；当温度升高到600℃时，屈服强度降低到200MPa左右，弹性模量降至100GPa左右。5.2.2结构抗火承载力计算方法基于试验结果和理论分析，提出了适用于多遇地震损伤后混凝土框架结构的抗火承载力计算方法。该方法综合考虑了结构在地震损伤后的残余变形、刚度退化以及高温下材料性能的劣化等因素。在计算过程中，首先根据试验得到的结构在多遇地震损伤后的残余变形和刚度退化数据，对结构的初始状态进行修正。通过有限元分析等方法，确定结构在地震损伤后的内力分布和变形情况。然后，考虑高温下混凝土和钢筋材料性能的退化，根据高温下材料性能退化理论，确定不同温度下混凝土和钢筋的力学性能参数。将修正后的结构初始状态和高温下的材料性能参数代入结构力学分析模型，采用有限元法或其他数值方法，计算结构在火灾作用下的温度场分布、内力重分布以及变形发展过程。当结构达到承载能力极限状态时，认为结构丧失抗火能力，此时对应的荷载即为结构的抗火承载力。承载能力极限状态的判定准则包括构件的屈服、破坏以及结构的整体失稳等。在某框架结构抗火承载力计算中，当梁构件的受拉钢筋屈服，且受压区混凝土达到极限压应变时，认为梁构件达到承载能力极限状态；当框架结构的侧移超过规定限值，且结构出现明显的塑性铰机制时，认为结构整体达到承载能力极限状态。该计算方法在实际工程中具有重要的应用价值。在对某地震后受损的混凝土框架结构进行抗火安全性评估时，运用该计算方法，考虑结构的地震损伤情况和高温下材料性能的变化，准确评估了结构在火灾中的抗火承载力，为结构的加固和修复提供了科学依据。根据计算结果，对结构采取了相应的加固措施，如增加防火涂料厚度、加强关键构件的配筋等，有效提高了结构的抗火性能，确保了结构在火灾中的安全性。5.3数值模拟与理论分析结果5.3.1数值模拟结果与试验对比将数值模拟得到的温度场、变形、耐火极限等结果与试验结果进行对比，以验证数值模拟的准确性和可靠性。在温度场分布方面，对比不同时刻数值模拟与试验测量得到的试件内部温度数据。图6展示了火灾发生60min时，试件某一截面的温度场分布对比情况。从图中可以看出，数值模拟得到的温度场分布趋势与试验结果基本一致，试件表面温度较高，内部温度较低，且温度从表面向内部逐渐降低。在梁的上表面和柱的外表面，数值模拟温度与试验测量温度较为接近，误差在10%以内。在试件内部，由于混凝土材料的热传导特性以及数值模拟中边界条件和材料参数的近似处理，数值模拟温度与试验测量温度存在一定差异，但误差在可接受范围内，最大误差不超过15%。在变形方面，对比梁跨中位移和柱顶水平位移的数值模拟结果与试验测量值随时间的变化曲线。图7为梁跨中位移随时间变化曲线对比图，从图中可以看出，在火灾初期，数值模拟结果与试验测量值较为接近，随着火灾时间的延长，两者之间的差异逐渐增大，但变化趋势基本一致。在火灾发生90min时，数值模拟得到的梁跨中位移为45mm，试验测量值为42mm，误差为7.1%。图8为柱顶水平位移随时间变化曲线对比图，同样地，数值模拟结果与试验测量值在整体趋势上相符，在火灾发生100min时，数值模拟得到的柱顶水平位移为28mm，试验测量值为25mm，误差为12%。在耐火极限方面，数值模拟预测的结构达到破坏状态的时间与试验确定的耐火极限进行对比。试验结果表明，试件的耐火极限平均为90min左右，数值模拟预测的耐火极限平均为85min左右，误差为5.6%。虽然数值模拟结果与试验结果存在一定误差，但在工程应用允许的范围内，说明数值模拟能够较好地预测多遇地震损伤后混凝土框架结构的耐火极限。通过以上对比分析