混凝土及预应力混凝土结构抗火研究现状与展望

为拓展混凝土及预应力混凝土结构抗火的研究思路与方法,论述了普通钢筋、预应力筋、混凝土等结构材料的抗火性能,凝炼了混凝土及预应力混凝土结构构件的抗火性能,介绍了火灾后混凝土结构加固修复技术,指出了混凝土及预应力混凝土结构抗火研究中存在的一些问题,展望了其发展趋势.分析表明:混凝土高温爆裂临界温度随强度变化而变化,掺钢纤维或聚丙烯纤维可有效防止混凝土火灾下爆裂;合理考虑名义拉应力和混凝土强度影响的爆裂判别方法,可有效降低火灾下预应力结构混凝土爆裂风险;混凝土及预应力混凝土结构应满足火灾时不爆裂、火灾下不坍塌、火灾后可修复的抗火设计目标;火灾下防爆裂混凝土合理纤维掺量、混凝土及预应力结构构件高温爆裂机理及预测模型、活性粉末混凝土(RPC)高温爆裂规律、RPC热-力耦合本构关系及其结构构件抗火性能、温度-荷载路径对结构构件高温性能的影响、高层混凝土结构和地下空间结构抗火性能等方面应予关注.     

受火先张法预应力板梁非线性分析

依据预应力结构的粘结与破坏机理,在火灾温度场下,考虑高温区域内板梁材料参数的降低,采用非线性有限元的方法分析板梁的受力性能,得出高温下预应力钢绞线的应力松弛程度,并在合理假定条件下研究钢绞线随局部失效长度的变化,以及整根钢绞线发生粘结滑移情况,为桥梁的检测评定以及维修加固提供理论依据.     

先张预应力混凝土板最小板长及钢绞线折算强度计算方法

首先分析了高强钢绞线在先张预应力构件中的粘结锚固性能,将预应力传递长度与弯曲粘结长度之和定义之延伸长度,给出了延伸长度的计算公式。其次为使构件破坏时充分发挥预应力钢绞线的强度,防止弯曲裂缝出现在延伸长度之内,提出了先张预应力混凝土板在均布荷载作用下的最小板长。最后针对预应力混凝土板长小于最小板长时会在延伸长度内出现弯曲裂缝,需将钢绞线强度进行折减,并提出了钢绞线折算强度的计算方法。     

火灾下混凝土构件正截面承载力估算方法

针对火灾下混凝土构件正截面承载力计算繁杂的问题.提出对于受拉区为迎火面的板的控制截面,不考虑压区混凝土强度的变化,考虑高温对受拉钢筋强度的影响;对于受压区为迎火面的板的控制截面,引入截面有效高度折减值,不考虑折减后剩余混凝土强度和拉区钢筋强度的变化,考虑高温对受压钢筋强度的影响;对于四面受火的轴心受压混凝土方柱,引入截面尺寸折减值,不考虑折减后剩余混凝土强度的变化,考虑高温对钢筋强度的影响,并建立了火灾下板及四面受火钢筋混凝土方柱正截面承载力的估算方法,可供钢筋混凝土结构抗火验算时参考.     

有机合成纤维对隧道管片混凝土经高温后性能的影响

基于高温传感器建立了高温自动采集系统,对火灾高温环境下混凝土内部温度进行了监测,对盾构法隧道管片有应用前景的有机纤维混凝土高温后的性能进行了试验研究.试验结果表明:火灾过程中混凝土构件从内到外存在很明显的温度梯度,掺入有机合成纤维能明显降低温度梯度引起的混凝土开裂、爆裂、剥落现象;聚丙烯纤维分解温度高于纤维素纤维和聚乙烯醇纤维,在弯拉强度、断裂能、断裂韧性及残余强度方面聚丙烯纤维混凝土均优于聚乙烯醇纤维混凝土和纤维素纤维混凝土,更适合用于提高隧道管片混凝土在火灾高温环境下的抗爆裂性能.     

考虑爆裂的高强混凝土柱耐火性能研究

高强混凝土(HSC)柱在高温下会产生爆裂,缩短柱子的耐火极限,研究发现爆裂的随机性也使得数值模拟有一定的难度.应用ABAQUS建立了考虑高温爆裂的HSC柱有限元模型,并得到实验数据的验证.应用验证后的模型,分析了爆裂对温度场的影响,以及爆裂长度和爆裂深度对四面受火HSC柱耐火性能的影响.结果表明:爆裂后截面温度随爆裂深度的增大丽逐渐上升;在相同爆裂深度下,随着爆裂长度的增加,HSC柱耐火极限减小,轴向位移增加;相同爆裂长度下,随着爆裂深度的增加,HSC柱耐火极限有较大降低.     

钢结构构件高温极限承载力实用计算方法

利用损伤场概念,考虑损伤对材料弹性、塑性的影响,通过对已确定的截面温度分布,计算相关等温线位置,将各温度区段的截面实有宽度按损伤变量(温度函数)加以折减,得到相应等效截面,此后对构件的极限荷载就可按常温下强度的等效截面进行计算.大量实验已证明框架结构在高温(火灾)下的破坏和常温下一样,是由于若干临界截面及其附近区段相继形成塑性铰,构成一个自由度的可变体系而破坏,因此利用传统结构力学中机构叠加法求得极限荷载,并通过单层两跨模型试验验证该方法的可行性.     

新型拼接预应力空心板弯曲性能试验研究

提出一种板底正交方向均配置高强预应力钢筋,板侧通过凹槽相连的新型预制预应力空心板.对一块空心长板和支撑失效后两块后浇拼接板足尺试件的裂缝发展情况、混凝土应变、破坏形态、承载能力及弯曲刚度等进行了试验研究.并根据ACI 318和我国结构设计规范等,对试件的极限受弯承载力、刚度、挠度等进行了理论计算,并与试验结果做了对比分析.结果表明:该新型后浇板具备较高的承载力、延性及可靠的连接性能.空心长板的计算与试验结果吻合较好,后浇板屈服前刚度理论计算偏大,屈服后与试验结果吻合较好.建议对于后浇板屈服前短期刚度折减系数偏于安全均取为0.5.按混凝土结构设计规范中板的受弯挠度限值,所有试件安全储备均较高.     

配置高强钢筋的无粘结部分预应力梁受弯试验研究及有限元模拟分析

通过对3根无黏结部分预应力混凝土梁进行受弯性能试验,对比分析混凝土强度等级对配置600 MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的挠度、抗弯承载力的影响。采用ANSYS软件对试验梁进行有限元模拟,分析结果和试验结果较为吻合。用ANSYS有限元软件分析研究非预应力筋配筋率,非预应力钢筋强度等级及预应力度对梁挠度、极限应力增量及抗弯承载力的影响。研究结果表明:增大非预应力筋钢筋强度可以提高梁的极限承载能力和极限应力增量;提高非预应力筋的配筋率或者增大预应力度可以提高梁的极限承载能力但不会提高粱的极限应力增量。     

后张预应力空心板试验研究及有限元分析

后张预应力空心板是预应力板发展的新方向.为了更好地了解后张预应力空心板的受力性能,对空心板进行了静载试验,并利用有限元软件对其进行了有限元分析,比较各相关数据,得到了在静载下的受力性能.分析表明,空心板具有令人满意的承载能力和正常工作能力.     

高温下钢管约束型钢混凝土柱的受力性能

火灾下无防火保护的结构构件温度会迅速上升,从而造成钢材和混凝土的强度明显下降。为了研究火灾下钢管约束型钢混凝土柱的受力性能,考虑火灾下钢管约束型钢混凝土柱的不均匀温度分布及温度对材料力学性能的影响,提出了火灾下受轴心荷载作用的钢管约束型钢混凝土柱承载力的计算方法。利用有限元软件ABAQUS对提出的计算方法进行了验证,结果吻合较好。进而采用该计算方法对影响高温下承载力的参数进行了分析,研究表明：随着构件截面尺寸的增加以及混凝土强度和钢材强度的提高,构件的承载力逐渐增加,而钢管壁厚的改变对承载力并无太大影响。利用有限元软件ABAQUS分析了荷载比、构件尺寸、钢管壁厚等因素对构件耐火极限的影响,发现耐火极限随着荷载比和钢管壁厚的增加而减小,随着构件尺寸的增加而增大。     

某高速公路桥梁火灾事故的数值模拟研究

首先介绍了火灾事故基本情况,然后利用数值模拟技术对整个火灾过程进行了数值重构。计算结果分析发现数值模拟结果基本符合现场勘查情况。环境风对现场的温度场和烟气流动影响明显。燃料的流淌火特性导致火灾蔓延至桥梁支座底部,造成较为严重的混凝土爆裂现象,对桥梁的力学损伤比较严重,尤其是损伤部位在支撑点处。而桥面火灾虽然造成大面积的爆裂,但是爆裂深度较浅,并且上部为混凝土覆盖层非桥梁本身,危害较小。建议桥梁修复时换掉支座底部爆裂严重的片梁,同时对桥面爆裂部分进行常规混凝土修复。本文的研究对桥梁火灾后的检测和修复具有一定指导意义。     

粘结剂固化度对缓粘结预应力梁力学性能的影响

为了探明预应力筋张拉时缓粘结剂固化程度对缓粘结预应力混凝土梁力学性能的影响,进行了梁的承载力力学性能试验.结果表明:张拉时缓粘结剂固化程度对梁的开裂荷载影响较小,对极限荷载的影响较大,且缓粘结剂固化程度越高,缓粘结预应力混凝土梁的极限荷载越低;张拉时缓粘结剂处于张拉适用期的试件梁具有较好的力学性能,其纯弯段部分的裂缝开展均匀,数量较多,梁的延性增强,预应力钢筋与混凝土具有良好的共同工作状态,与有粘结预应力混凝土梁受力性能基本相当.     

方钢管混凝土梁受弯力学性能的试验研究

介绍了包括中空钢管梁，素混凝土锟管梁及配筋混凝土钢管梁在内共18个试件的纯弯试验.主要试验参数包括混凝土强度、钢管的宽厚比、钢筋配置等.讨论了各种试验参数对极限承载力和延性等力学性能的影响，并陈述了RCFT梁优于CFT梁之处.结果表明，在梁的受拉区配筋可以提高梁的极限承载力，并且可以避免核心混凝土的剪切破坏.与CFT梁相比，RCFT梁的强度、刚度和延性得到改善，对工程有很大意义.     

预应力RPC-NC叠合梁抗弯延性试验分析

为有效推动高性能材料在现代桥梁结构中的应用以满足快速发展的高速铁路技术,本文设计并制作了10根预应力活性粉末混凝土(RPC)-普通混凝土(NC)叠合梁和1根预应力纯NC梁,通过试验方法研究了高性能材料RPC在梁结构中应用后叠合梁的抗弯延性性能,并以叠合梁跨中位移延性系数进行描述.试验主要考虑了RPC高度、预应力比率、NC等级等因素对叠合梁抗弯延性的影响.研究结果表明:随着RPC高度的增加,叠合梁截面配筋指数降低,抗弯位移延性系数增大;随着钢绞线根数的增多,预应力比率增大,位移延性系数相应增大;叠合梁上部NC等级提高后,脆性破坏特征并不明显,抗弯位移延性系数增大.由于RPC材料优异的力学性能以及钢纤维的作用提高了叠合梁在出现峰值荷载后的变形能力,使得其抗弯位移延性要明显优于纯NC梁,可见RPC材料在拥有高强度的同时具有良好的延性特征.同时以试验数据为基础,拟合出适用于预应力RPC-NC叠合梁抗弯位移延性系数的计算公式.     

CFRP加固钢筋混凝土梁火灾后的试验研究

比较分析了火灾试验后6根混凝土梁在用碳纤维布(CFRP)加固前后的极限荷载、变形、裂缝、延性系数等指标．试验研究表明：混凝土梁在遭受火灾作用后,由于材料性能的衰退而导致梁的承载力降低;使用碳纤维布提高火灾后混凝土梁的承载力的方法,能有效地抵抗2次火灾的影响;基于试验结果,推导出火灾后碳纤维布加固的实用设计方法,与试验数据可以较好地吻合,且偏于安全,能满足实际工程应用的要求．     

钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱的轴压承载力

采用统一强度理论对轴心受压钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱的核心混凝土、钢管以及型钢钢骨在三向应力状态下的轴向极限承载力进行了分析;通过引入考虑厚边比影响的等效约束折减系数和考虑尺寸效应影响的混凝土强度折减系数,将方钢管对混凝土的约束等效为圆钢管对混凝土的约束,从而推导出钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱轴压承载力的理论计算公式;将该公式的计算结果与试验结果和已有公式的计算结果进行比较,各结果吻合良好。结果表明：该公式有很强的适用性,对发挥材料潜力、节约材料具有实际意义,并且为此类结构的研究提供了重要的依据。     

火灾后方钢管钢筋混凝土短柱承载力分析

在确定了ISO-834标准火灾作用后钢材和混凝土应力应变关系的基础上,首先利用ABAQUS有限元软件建立火灾作用后方钢管钢筋混凝土短柱温度场及力学分析模型,计算结果得到以往试验结果验证。然后分析了截面边长、配筋率、受火时间、含钢率、材料强度等参数对火灾作用后钢管钢筋混凝土短柱承载力的影响规律,结果表明,受火时间、截面边长是影响其承载力的主要因素。最后提出了火灾作用后方钢管钢筋混凝土短柱承载力的理论公式,为其灾后修复和加固提供参考。     

钢管混凝土结构及钢结构单层单跨框架力学性能分析

为了对比分析方钢管混凝土柱-工字钢梁和方空钢管柱-工字钢梁两种框架结构的力学性能,运用有限元软件分别对上述两种框架结构进行了全尺寸建模,完成非线性有限元计算分析.结果表明,计算结果与实验数据吻合较好,验证了所建模型的准确性;两种框架结构的滞回曲线均为饱满的梭形,无明显的捏缩现象,且方钢管混凝土柱-工字钢梁框架梁端水平极限承载力高于方空钢管柱-工字钢梁框架结构.