使用损伤与高温耦合作用下钢筋混凝土梁火灾试验研究与数值分析

为研究不同裂缝宽度对钢筋混凝土梁抗火性能的影响,以混凝土裂缝最大宽度wmax为损伤指标,制作7个钢筋混凝土梁试件,加静载使其产生最大宽度为0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm的裂缝,模拟其正常使用时受力状态,并对其进行火灾试验。试验结果表明:不同试件相同位置测点升温大致相同,但截面历经最高温度相差较大,最大温差达到150℃;裂缝宽度越大,试件最终破坏时历经最高温度越小,挠度增长越快。采用ANSYS有限元软件分析梁截面的温度场分布,结果表明:由于初始损伤的存在,相同截面高度处,不同截面沿跨度方向的温度曲线出现波动,裂缝处尤为明显;同一截面,沿截面高度方向的温度曲线出现平台,且裂缝越宽,平台越长,使得截面高温承载力显著退化。提出了考虑裂缝影响的高温作用下混凝土梁承载力简化计算模型,较未考虑裂缝影响的高温作用下混凝土梁承载力的计算精度提高显著。     

裂缝对混凝土温度场的影响研究

<正>同济大学的研究人员开展了裂缝影响混凝土温度场的试验研究。研究了裂缝宽度对混凝土温度场的影响规律。采用Matlab软件对试验结果进行计算分析。研究结果表明:高温下混凝土裂缝区域的主要传热方式是热传导;与无裂缝处相比,有裂缝处混凝土测点的温度更高,测点的温度     

高温下再生混凝土梁受剪性能试验研究

对9根不同再生骨料取代率的再生混凝土梁试件进行了常温和标准升温条件下的受剪试验,研究再生粗骨料取代率和初始荷载比等对试件的破坏特征、耐火极限、温度场分布和变形性能等的影响。利用ABAQUS有限元分析软件分别进行试件的温度场分析和顺序热-应力耦合全过程分析,并提出高温下再生混凝土梁受剪承载力理论计算方法和设计计算式。研究结果表明:高温下再生混凝土梁的剪切破坏特征与普通混凝土梁相似,但再生骨料取代率越大,火灾试验后试件表面混凝土的剥落程度越明显;试件的耐火极限随再生粗骨料取代率的增大而提高,随初始荷载比的增大而降低,再生混凝土梁的耐火极限受初始荷载比的影响比普通混凝土梁低;再生粗骨料取代率越大,相同时刻试件内部测点的温度越低,箍筋温度也越低,再生混凝土梁比普通混凝土梁具有更好的耐火性能;在火灾试验末期,随着再生粗骨料取代率的增加,试件的变形增长速率逐渐减小,说明高温下再生混凝土梁斜截面破坏时的延性比普通混凝土梁好;有限元分析结果与试验结果吻合较好;提出的高温下再生混凝土梁受剪承载力理论计算方法和设计计算式均具有可行性,能够分别满足试验和工程设计的要求。     

使用损伤钢筋混凝土柱高温作用下受力性能试验研究与有限元分析

为研究裂缝对火灾下钢筋混凝土结构性能的影响,设计4个足尺寸钢筋混凝土偏压柱试件,以裂缝宽度ω作为损伤指标,加载使其产生ω分别为0.05、0.10、0.15、0.20mm的裂缝,继而对不同使用损伤的柱试件进行四面受火试验。试验研究表明：受火后裂缝宽度发展约为受火前10倍,深度约为受火前3倍;使用损伤愈大,柱极限耐火时间愈短。假定火灾下裂缝宽度、深度开展与受火试验升温时间成正比,采用ANSYS软件对偏压柱截面进行温度场有限元分析。结果表明：有限元分析得出的截面温度与试验实测温度有较好的拟合性;沿柱截面高度方向温度分布存在一个温度畸变平台且使用损伤越大平台越长,导致截面高温下承载力显著退化;沿柱计算长度方向各截面温度分布发生变化,有限元分析中假设沿柱计算长度方向各截面温度分布相同的结论不再适用。提出考虑损伤平台的高温下混凝土柱承载力简化计算模型,显著提高了计算精度,证明了该方法的正确性和可靠性。     

高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪力传递性能研究

通过20个高温下带栓钉连接件型钢混凝土短柱推出试验及2个常温下的对比试验,研究其破坏形态、荷载-滑移特性、界面剪切承载力等。试验结果表明：高温下带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的破坏形态与常温下大致相同,破坏以栓钉外侧混凝土劈裂为主;与常温下试件的荷载-滑移曲线相比,高温下推出试件荷载-滑移曲线的上升段相对平缓,在较小的荷载作用下即产生相对滑移,滑移刚度相对减小;当升温最高温度的持续时间相同时,试件的界面剪切承载力随最高温度的提高而降低,其中从常温到最高温度达到400℃以前,试件的界面剪切承载力随最高温度提高下降很快,而最高温度超过400℃以后,界面剪切承载力随最高温度提高下降的趋势减缓;当升温最高温度一定时,随着最高温度持续时间的增加,试件的界面剪切承载力降低。引入高温下界面剪切承载力影响系数,提出高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪切承载力计算式,计算结果与试验结果相比总体偏于安全。     

钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究

对两种组合梁形式:主梁式试件(压型钢板肋平行于钢梁)和次梁式试件(压型钢板肋垂直于钢梁)分别进行了抗火试验。试验中量测了试验炉火升温过程,试件的温度和跨中挠度。通过对试验结果的分析发现:由于混凝土板有明显的阻热作用,组合梁中的混凝土板升温较慢,钢梁升温较快,导致钢梁截面温度分布不均匀;由于高温和外力共同作用下,在梁端发生混凝土抗剪破坏,而栓钉由于受到混凝土的保护,温度较低,栓钉仍能正常发挥抗剪连接作用;跨中挠度达到梁跨的1/30后,变形快速增大,随之在跨中形成一条横向贯穿混凝土楼板的主压溃裂缝,产生塑性铰并形成机构,使简支组合梁产生不适于继续承载的变形,达到破坏。     

不同构造下轻质底层抹灰石膏耐火性能试验研究

采用轻质底层抹灰石膏分别掺入玻璃纤维或挂网构造,对其保护的钢板和钢管混凝土束试件在室内火灾标准升温曲线下开展耐火试验,根据温度曲线结合规范公式计算出不同构造下轻质底层抹灰石膏高温下等效热传导系数,并评估其保护的钢管混凝土束试件耐火性能。试验表明,采用轻质底层抹灰石膏加挂网的防火保护构造能够满足钢结构防火保护要求。钢板试件在受火过程中能保持完整,升温缓慢,试验140 min后,温度基本保持在500℃左右,隔热效果良好。钢管混凝土束构件在受火140 min后,截面所有测点的温度均不超过200℃,表明此种防火保护构造对钢管混凝土束构件具备较好的防火性能。     

不同石粉含量的机制砂混凝土高温后力学性能

以受火温度、石粉含量为变化参数,设计并制作了210个100 mm×100 mm×100 mm的机制砂混凝土立方体试件,对其进行高温后的物理力学性能试验,获取了试件的质量损失率以及抗压强度和劈裂抗拉强度,建立了机制砂混凝土高温后抗压强度和劈裂强度的劣化模型,同时结合X射线衍射和扫描电子显微镜等技术,揭示了高温后机制砂混凝土力学性能劣化的微观机理。基于最高受火温度和质量损失率,分别提出了高温后机制砂混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度评估计算式。结果表明:随着温度的升高,机制砂混凝土试件的表面颜色从灰色变成红褐色,最后呈白色,高温作用使试件表面出现了温度裂缝及剥落现象; 试件的质量损失率随着石粉含量的增加而增大; 混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随着温度的升高显著减小; 随着石粉含量的增加,混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度先增大后减小,当石粉含量(质量分数)为10%时,混凝土强度达到最大值; 基于试验结果建立的高温后机制砂混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的劣化模型拟合度较好; 混凝土中掺入适量的石粉能促进体系中钙钒石和氢氧化钙等水化产物数量,当经受700 ℃高温后,水泥水化物脱水分解使混凝土内部裂缝和孔隙增多。     

带约束预制混凝土叠合板受火后抗弯性能的试验研究

进行带约束预制混凝土叠合板常温和受火后受弯性能的对比试验,研究升降温过程中截面温度场变化和不同受火时间自然冷却后极限荷载、初始弯曲刚度和延性系数的变化规律。结果表明：未受火预制混凝土叠合板和不同受火时间自然冷却后预制混凝土叠合板均发生弯曲破坏。带约束预制混凝土叠合板升温阶段截面温度场呈受火面温度高、背火面温度低的层状分布,降温阶段温度场呈内部温度高、外部温度低的圈状分布;随着受火时间增加,极限荷载和初始弯曲刚度均呈抛物线型下降;受火自然冷却后的残余挠度也明显增大。理论分析表明,经典塑形铰线理论适用于预制混凝土叠合板未受火试件和受火后试件极限荷载的计算;截面温度场和受火后极限荷载数值模拟结果均与试验结果吻合较好,可为预制混凝土叠合板的防火设计和火灾后鉴定评估提供依据。     

温度场和应力场联合作用下钢筋混凝土柱力学性能研究

为了研究钢筋混凝土柱在不同温度场和应力场联合作用下的力学性能,采用ABAQUS软件对钢筋混凝土建立了相应的传热分析模型和热应力分析模型,模拟了不同高温、不同受火面的传热过程。在传热分析的基础上,研究温度场和应力场联合作用对钢筋混凝土柱损伤破坏以及端部反力影响。结果表明:试件表面温度模拟值与现场试验值吻合较好;不同升温过程中,试件内部温度梯度基本相同,温度从表面到内部依次降低;随着受火面的增加,相应面上的温度也在提高;当采用四面升温时,截面中心升温较为明显;当试件端部固接时,在温度场和应力场的联合作用下,试件端部反力下降,并且当其处于极限应力状态时,温度对其端部反力影响更为明显,当超过极限应力状态时,随着应力场和温度场的增加,试件的损伤程度不断增大,但损伤趋势变缓。     

大型基础平台混凝土水化热温度有限元分析

通过工程实例对影响大体积混凝土水化热温度的几个主要因素进行了计算 ,并利用有限元程序模拟混凝土中的温度场 ,由分析结果提出了一些控制温度裂缝的具体措施指导施工作业 ,为大体积混凝土的施工提供了理论依据。实践证明这些方法是行之有效的     

底面受约束的混凝土板温度裂缝分析

应用有限单元法模拟了底面受约束的混凝土板在外界气温骤降过程中裂缝开展过程,并分析了温度对裂缝宽度的影响因素。分析结果表明:在气温骤降作用下,裂缝的最大宽度不一定出现在气温骤降作用结束时,有可能出现在中间某一时刻;最低气温持续时间越长,降温速率越小,相应的最大裂缝宽度越大;温度裂缝最大宽度未必随着温降值的增大而增大;在气温骤降过程中出现的最大裂缝宽度是短暂的;随着钢筋用量的增多,最大裂缝宽度减小,裂缝条数增多;随着混凝土板截面尺寸的增大,最大裂缝宽度也相应的增大;当保护层增大时,混凝土板表面处最大裂缝增大。     

高温后页岩轻骨料混凝土断裂特性

为研究页岩轻骨料混凝土Ⅰ型断裂性能随温度的变化规律,对页岩轻骨料混凝土试件进行100,200,300,400 ℃加热处理,自然冷却至常温。采用三点弯曲梁法对15个缝高比为0.4的轻骨料混凝土小梁进行断裂试验,依据荷载-跨中挠度曲线计算断裂能及断裂韧度。结果表明:起裂韧度与失稳韧度均随温度升高先上升后下降,起裂韧度的转折点在200 ℃左右,失稳韧度的转折点在300 ℃左右; 黏聚韧度呈现下降—上升—下降的趋势,其随温度变化规律与起裂韧度、失稳韧度存在较大的关联性,当温度为300 ℃时裂尖端的黏聚力阻止裂缝扩展的能力最为显著; 断裂能呈现出基本不变—增大—减小的3个变化阶段,当温度为200 ℃左右时断裂能达到最大值,断裂能随温度变化规律的拟合曲线上升段为二次抛物线,下降段为直线; 在所研究的温度范围内,页岩轻骨料混凝土的断裂性能受高温影响较为显著; 所得结论为高温状态下轻骨料混凝土结构裂缝扩展研究和结构设计提供了试验依据。     

寒区隧道地源热泵型供热系统取热段温度场解析

为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。供热系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和排水系统加热。取热段位于隧道中部,获取围岩中的地热能。隧道取热段温度场由热交换管外围岩温度场和热交换管内流体温度场两部分组成。建立考虑衬砌结构和热源的隧道取热段热交换管外围岩传热模型,利用叠加原理、拉普拉斯变换和积分变换相结合的方法获得取热段温度场解析解。基于能量守恒原理建立热交换管内流体传热模型,根据热交换管外围岩温度场,利用迭代法计算热交换管的出口温度。采用反分析的方法确定试验段围岩的综合热物性参数,将理论解与现场试验数据对比分析,其精度满足工程要求。取热段温度场理论解为系统的设计提供理论指导。     

内保温住宅的户间传热温差

以目前新建住宅中较为普遍的钢筋混凝土内保温外墙、陶粒混凝土内墙结构的居住建筑为对象，建立房间不稳态传热的数学模型，通过数值求解，得出了四种典型房间，在北京地区供暖室外设计温度下，采用分室调节最低值（即停止采暖）时，其室温和邻室的户间传热温差及房间围护结构温度分布的变化规律，为进行住宅按户计量供暖设计热负荷的确定，提供了户间传热计算的依据，也为按户计量收费和建筑保温及防结霜研究提供了参考依据。     

An analytical method to calculate temperatures of components of reverse channel connection to concrete filled steel section under fire conditions

The paper describes the development of an analytical model for calculating the temperatures of different components of reverse channel connections to concrete filled steel tubular sections. The proposed analytical model is based on the Lumped Capacitance Method and includes the calculation of the quantity of heat transferred at the interface between the steel tube and the concrete core. For unprotected connections, the connection is divided into two regions. One part of the connection is almost unaffected by the presence of the concrete core, on the contrary, temperature of the second part of the connection is significantly affected by the heat transfer at the steel/concrete interface. For protected connections, the entire connection is assumed to have the same temperature. Equivalent two-dimensional section factors are proposed for these connection parts. The analytical model is developed based on the results of extensive parametric studies under standard and different parametric fire conditions and validated against fire test results. The proposed analytical method is applicable to both fire protected and unprotected connections, including both the heating and cooling periods of the fire attack, and incorporating the effects of in-fill concrete.     

大体积混凝土温度场构成因素分析

大体积混凝土的水化热不容易及时散发,内部温升将会很高,从而产生很大的温度应力,导致出现温度裂缝。本文介绍了环境温度、水泥水化热、截面尺寸等对温度场的影响,分析了大体积混凝土温度场的变化规律,提出了大体积混凝土施工方法的一些建议,为实际工程的应用提供了选择依据,可为同类工程施工提供参考。     

钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法(Ⅰ)

确定了高温下组成钢骨混凝土的钢材和混凝土的热工参数和力-热本构关系模型,利用有限元法计算了钢骨混凝土柱截面温度场,计算结果得到实验结果的验证。利用数值方法对钢骨混凝土柱耐火极限及火灾下荷载-变形关系曲线进行了计算分析,理论计算结果和实验结果吻合良好。在此基础上,分析了截面尺寸、构件长细比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、钢骨和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对耐火极限以及火灾下构件承载力的影响规律。最后,提出了钢骨混凝土柱耐火极限的实用计算公式。本文是第一部分。     

钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法(II)

确定了高温下组成钢骨混凝土的钢材和混凝土的热工参数和力-热本构关系模型,利用有限元法计算了钢骨混凝土柱截面温度场,计算结果得到实验结果的验证。利用数值方法对钢骨混凝土柱耐火极限及火灾下荷载-变形关系曲线进行了计算分析,理论计算结果和实验结果吻合良好。在此基础上,分析了截面尺寸、构件长细比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、钢骨和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对耐火极限以及火灾下构件承载力的影响规律。最后,提出了钢骨混凝土柱耐火极限的实用计算公式。本文是第二部分。     

混凝土对流换热系数的风洞实验研究

提出混凝土表面对流换热系数的实验方案,试件的形式为圆管,从内部加热,安装在TJ-1风洞内,圆管的轴线与风向一致,风速调节范围为1m/s至25m/s,利用专门开发的实验控制系统全自动监控加热过程并自动记录数据。3个试件的实验结果有很好的一致性。实验结果表明,混凝土表面对流换热系数与风速、混凝土表面热辐射系数与温差之间均有很好的线性相关性。由实验结果回归分析得到混凝土表面受迫对流换热系数、混凝土表面热辐射系数、混凝土表面总热交换系数的计算公式,为混凝土结构温度效应分析中热工参数取值提供了依据。