具有端部约束的碳纤维布加固混凝土梁的高温弯矩分析

目前国内外对混凝土结构的抗火性能评估几乎都是针对独立构件开展的,很少考虑相邻构件之间的相互约束作用。实际火灾调查与明火试验表明,结构中构件的火灾行为与独立构件有着较明显的差别。本文开展了具有端部约束的碳纤维布加固混凝土梁的高温反应分析,揭示了轴向/转动约束刚度比、梁截面尺寸、跨度、荷载比、加固量、配筋率、保护层厚度和防火涂料厚度等参数对ISO834标准升温作用下约束加固梁的梁端弯矩的影响规律。在此基础上,给出了高温下约束加固梁的梁端弯矩实用计算方法。研究表明:①随着升温时间的增加,约束加固梁的梁端弯矩总体呈现先逐渐增大而后渐趋平缓的趋势;②防火保护(即使防火涂料厚度只有10mm)对高温下约束加固梁的梁端弯矩影响显著。     

碳纤维布加固混凝土梁的高温抗弯承载力——影响因素及衰减关系

通过引入混凝土高温等效抗压强度,提出了碳纤维布加固混凝土梁高温抗弯承载力的一种简化计算方法.利用所提方法,考察了防火涂料设置、碳纤维布加固量、受拉钢筋配筋率、混凝土保护层厚度等参数对加固梁高温抗弯承载力的影响规律.在大量分析结果基础上,建立了加固梁高温抗弯承载力随升温时间的定量衰减关系.研究结果表明:(1)利用该简化方法所得加固梁的耐火极限与试验结果吻合较好;(2)实际工程中梁侧防火涂料高度可以90 mm为限,在此范围内加固梁的高温抗弯承载力随着梁侧防火涂料高度的增加逐渐增大;(3)混凝土保护层厚度越小,加固梁抗弯承载力随升温时间增加而降低的速率越大,但升温2 h以后加固梁的抗弯承载力基本按同一速率下降.     

CFRP加固混凝土梁不同防火材料保护设计方法北大核心CSCD

碳纤维增强塑料(CFRP)加固钢筋混凝土结构是目前广泛应用的加固方法之一,但由于CFRP加固构件的耐火性能较差,需进行必要的防火保护。在课题组前期进行的不同防火材料保护的CFRP加固混凝土梁耐火性能试验研究基础上,运用ANSYS有限元分析程序,分别对采取厚型防火涂料、超薄型防火涂料和水泥砂浆作防火保护材料的CFRP加固混凝土梁进行了耐火性能计算分析,结果表明,防火保护层厚度、荷载比、跨高比是影响CFRP加固混凝土梁耐火性能的主要因素,而加固量对耐火性能的影响相对较小。在此基础上,以满足一级耐火极限(≥2.0h)要求的梁跨中挠度限值为标准,根据试验研究及有限元参数分析结果,拟合得到不同防火材料在一级耐火极限要求下的防火保护层厚度计算公式,并给出了3种材料防火保护的合理构造措施,为CFRP加固混凝土梁的防火保护提供了设计方法。     

CFRP加固混凝土梁不同防火材料保护设计方法

碳纤维增强塑料(CFRP)加固钢筋混凝土结构是目前广泛应用的加固方法之一,但由于CFRP加固构件的耐火性能较差,需进行必要的防火保护。在课题组前期进行的不同防火材料保护的CFRP加固混凝土梁耐火性能试验研究基础上,运用ANSYS有限元分析程序,分别对采取厚型防火涂料、超薄型防火涂料和水泥砂浆作防火保护材料的CFRP加固混凝土梁进行了耐火性能计算分析,结果表明,防火保护层厚度、荷载比、跨高比是影响CFRP加固混凝土梁耐火性能的主要因素,而加固量对耐火性能的影响相对较小。在此基础上,以满足一级耐火极限(≥2.0h)要求的梁跨中挠度限值为标准,根据试验研究及有限元参数分析结果,拟合得到不同防火材料在一级耐火极限要求下的防火保护层厚度计算公式,并给出了3种材料防火保护的合理构造措施,为CFRP加固混凝土梁的防火保护提供了设计方法。     

约束钢筋混凝土十字形柱的高温轴力分析

利用结构抗火分析软件SAFIR,研究了高温下约束十字形柱的轴力变化过程,考察了众多参数对该过程的影响规律,初步建立了其实用计算方法。研究结果表明:1荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载偏心率、截面尺寸对该变化过程影响较大,而柱长度、材料强度、混凝土保护层厚度、配筋率则对该过程影响较小。2随着轴向约束刚度比增加,轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值均逐渐增大,且后者的增大效应相比前者更为显著。3有无转动约束存在对轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值影响有限,非零转动约束刚度比的大小对轴力变化系数随升温时间的变化过程影响很小。4随着荷载比增加,轴力变化系数峰值迅速减小,这一趋势对于偏压柱更为显著;随着荷载偏心率增加,轴力变化系数迅速增大。由于火灾中相邻构件之间相互约束作用的客观存在,正确把握高温下约束构件的内力变化过程对科学解释其真实火灾行为是必要的。     

火灾高温下CFRP加固钢筋混凝土梁温度场分析

综合国外CFRP加固混凝土结构抗火试验相关研究,总结了CFRP的高温热工性能参数。用ANSYS软件对火灾高温下不同情况(无防火保护层和有防火保护层)和不同工况(防火涂料涂抹形式)下CFRP加固后的钢筋混凝土梁进行了温度场数值模拟研究。结果表明,防火涂料厚40 mm时,梁耐火极限可达2.5小时以上,且底面和两侧面全面涂抹防火涂料的防火效果最好。本文研究有助于进一步深入认识CFRP加固钢筋混凝土结构在高温下的力学性能和耐火极限,且对CFRP加固后的结构防火设计具有一定的指导意义。     

表面设置防火涂料高强混凝土柱的耐火极限

前期试验表明,表面设置厚度20 mm的某非膨胀型防火涂料可较好地抑制高强混凝土的高温爆裂.本文通过试验反算给出了该涂料对应不同温度区间的平均导温系数；随后,利用结构抗火分析软件SAFIR对表面设置该涂料的高强混凝土柱的耐火极限进行了计算分析,考察了截面尺寸、轴压比、荷载偏心率及配筋率等因素的影响,在此基础上提出了相应的...     

受火约束钢梁在升温段和降温段行为的理论分析(Ⅱ)

通过约束钢梁抗火试验结果与笔者提出的理论方法结果的比较,验证了升温段理论分析方法的正确性。在降温段,采用本文方法所得结果与其他理论所得结果也很相近。采用笔者提出的理论方法对约束钢梁进行了参数分析,研究了约束钢梁的轴向约束刚度、转动约束刚度、荷载比、梁的高跨比、钢材屈服、荷载作用类型和截面温度分布等因素对受火约束钢梁在升温段和降温段的影响。研究表明,上述因素,尤其是梁的荷载比、轴向约束刚度和高跨比等对约束钢梁在火灾升温段的行为有很大影响;在降温段,由于梁的收缩受到约束,引起很大的轴向拉力,轴向力的大小除了与梁的荷载比、轴向约束刚度有关外,还与梁所经历的最高温度有关。     

受火约束钢梁在升温段和降温段行为的理论分析(Ⅰ)

真实火灾中的调查和试验结果表明,约束钢梁比一般的无约束钢梁有更好的抗火承载性能。在梁端约束作用下,火灾中的约束钢梁能够产生很大的变形而且不会在瞬间坍塌。在梁中产生的轴力对梁在火灾中的行为有很大影响。影响约束钢梁行为的因素包括:荷载类型、轴向约束刚度、转动约束刚度、梁截面温度分布等。根据梁端约束情况和荷载类型,对梁的变形曲线进行了假设,据此可得出梁的轴力以及梁截面内应变与应力的分布。通过对应力的积分,可得出截面轴力及抵抗弯矩,然后结合梁的平衡方程,就可求出梁在火灾下的变形。为了进行火灾后的安全评估及修复工作,还需要了解钢梁在降温段的反应。当温度降低时,钢材的强度会得到恢复,这对恢复梁的承载能力是有利的,但是同时由于梁的收缩,梁内将进一步产生拉力,这对梁及两端的节点是很不利的。本文对约束钢梁在降温段的行为进行了比较深入的理论研究,并推荐了一种简单的计算方法。     

约束PEC柱(绕强轴)的耐火性能及影响因素分析北大核心CSCD

利用ABAQUS有限元软件,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束部分包裹混凝土(PEC)柱抗火分析有限元模型,应用已有的约束PEC柱抗火试验数据,验证了模型的合理性。应用上述模型,分析了轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸等参数以及弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明:约束PEC柱(绕强轴)的轴向变形和轴力变化系数都呈现出先逐渐增大然后逐渐降低,最后以较大速率持续降低的趋势;截面边长和弯矩分布模式对约束PEC柱轴向变形和轴力变化系数的影响不显著;荷载偏心率对柱的轴向变形影响较小;轴向约束刚度比越小或荷载比越小,轴向变形就越大;荷载比越小或约束刚度比及荷载偏心率越大,轴力变化系数峰值就越大;3种弯矩分布模式中,均匀弯矩分布模式最不利,柱的耐火极限时间最短,而三角形弯矩分布模式与异号弯矩分布模式下PEC柱的耐火极限差别不大。     

约束PEC柱(绕强轴)的耐火性能及影响因素分析

利用ABAQUS有限元软件,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束部分包裹混凝土(PEC)柱抗火分析有限元模型,应用已有的约束PEC柱抗火试验数据,验证了模型的合理性。应用上述模型,分析了轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸等参数以及弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明:约束PEC柱(绕强轴)的轴向变形和轴力变化系数都呈现出先逐渐增大然后逐渐降低,最后以较大速率持续降低的趋势;截面边长和弯矩分布模式对约束PEC柱轴向变形和轴力变化系数的影响不显著;荷载偏心率对柱的轴向变形影响较小;轴向约束刚度比越小或荷载比越小,轴向变形就越大;荷载比越小或约束刚度比及荷载偏心率越大,轴力变化系数峰值就越大;3种弯矩分布模式中,均匀弯矩分布模式最不利,柱的耐火极限时间最短,而三角形弯矩分布模式与异号弯矩分布模式下PEC柱的耐火极限差别不大。     

火灾下约束钢柱临界温度的简化计算方法

在火灾条件下,约束钢柱轴力由于升温而增加,会导致在较低的温度下发生屈曲;但屈曲后,钢柱的轴向温度膨胀得到释放,轴力下降,因此屈曲后钢柱仍能继续承栽。本文通过计算长度系数将转动约束钢柱转换为铰支钢柱,给出了一种轴向约束钢柱在火灾升温条件下的临界温度的简化计算方法——轴力放大系数设计方法。此法通过轴力放大系数将轴向约束钢柱转化为无约束钢柱,再按无约束钢柱计算得到钢柱的临界温度。用验证过的有限元模型对简化计算方法进行了验证,计算结果表明简化方法吻合较好。     

火灾下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接的力学性能

为了研究钢管混凝土框架梁柱半刚性连接的抗火性能,利用ABAQUS软件进行了火灾作用下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接节点的热力耦合性能的数值模拟。确定了高温下钢材和核心混凝土的材料本构关系模型,建立了考虑楼板影响的钢管混凝土框架外伸端板连接节点的有限元计算模型,对三面受火和外荷载共同作用下节点的受力全过程进行了分析。详细分析了荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度、材料特性、构件几何尺寸等参数对节点耐火极限的影响。结果表明,荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度和钢梁截面高度对组合节点耐火极限的影响较显著。该研究结果将为火灾下半刚性钢管混凝土框架的设计理论提供科学依据。     

火灾下约束钢柱临界温度的参数分析

利用经实验验证过的ABAQUS有限元模型对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱进行了参数分析。以钢柱的屈曲温度和临界温度作为主要的评价指标,主要考虑了轴力荷载比、弯矩荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、长细比和钢柱端部弯矩比等参数的影响,并且对不同参数之间的耦合性进行了分析。参数分析结果表明,轴向约束刚度的增大将会明显降低约束钢柱的屈曲温度,但是对其临界温度的影响相对较小;端部弯矩比对钢柱的临界温度影响很小;当钢柱的轴力荷载比和弯矩荷载比较小、轴向约束刚度比和长细比较大时,考虑屈曲后性能可以显著提高钢柱的抗火能力。     

高温后足尺有粘结预应力混凝土梁板力学性能研究

针对足尺有粘结预应力混凝土梁板高温后的抗弯承栽力开展了非线性计算分析。结果表明,综合配筋指标、有效预应力对高温后极限弯矩与常温下极限弯矩比值M_u~A/M_u的影响不大,预应力度和预应力筋的保护层厚度对M_u~A/M_u影响显著。高宽比近似相同的有粘结预应力混凝土梁,当第一排钢筋的保护层厚度相同时,受火时间为3 h,高度为700 mm的梁高温后截面承栽力下降幅度最大约为30%,高度为4500 mm的梁高温后截面承栽力下降幅度不到10%,高温后大尺度梁的力学性能优于小尺度梁。给出了考虑预应力筋保护层厚度和预应力度影响的有粘结预应力混凝土板M_u~A/M_u的计算公式,以及综合考虑预应力筋、非预应力筋合力点到梁底距离和预应力筋梁侧保护层厚度影响的有粘结预应力混凝土梁M_u~A/M_u的计算公式。     

约束混凝土梁的升降温全过程弯矩分析

利用SAFIR程序,开展了约束混凝土梁的升降温全过程梁端弯矩分析;考察了转动约束刚度比、轴向约束刚度比、截面尺寸、荷载比、全截面配筋率和升温时间等参数对梁端弯矩的影响规律,并与单调升温时的相应规律进行对比,给出了梁端弯矩的实用计算方法。研究结果表明:对于先升温、后降温的约束混凝土梁梁端弯矩的变化,总体表现出与单调升温类似的特征,主要区别在于后期因降温作用而呈现出缓慢降低的趋势;转动约束刚度比对梁端弯矩的影响集中在升温前期,在此时段内,梁端弯矩随着转动约束刚度比的增加而增大,但增幅逐渐趋缓;升温后30 min以内,轴向约束刚度比的改变对梁端弯矩几乎没有影响;之后,梁端弯矩随着轴向约束刚度比的增加而逐渐减小。     

内配型钢的圆钢管混凝土轴压构件的耐火性能

在钢管混凝土构件中内置型钢可有效提高整个构件的承载力和耐火性能。采用ABAQUS软件建立了标准火灾下内配型钢的圆钢管混凝土轴压构件的热力耦合数值模型,并与已有研究者完成的试验数据进行了对比验证;在此基础上,计算了火灾作用下该类构件柱顶轴向位移和跨中挠度随升温时间变化的关系曲线,根据破坏特征可以分为升温初期膨胀阶段、轴向压缩阶段和破坏阶段,并确定了该类构件的耐火极限;最后计算了火灾作用下每个组件间的相互作用力和参数分析。结果表明:随着温度的升高,钢管与混凝土、混凝土与型钢之间的接触应力呈降低趋势;火灾荷载比、长细比、钢管含钢率及防火保护层厚度对构件耐火极限影响较为显著。     

确定厚型防火涂料高温导热系数的实用方法

目前,厚型防火涂料高温导热系数的取值尚不清楚,因而无法准确地对厚型防火涂料保护的结构进行抗火理论分析和设计。针对这一问题,本研究将厚型防火涂料视为主要由粘结基料和隔热骨料所组成的复合物,利用并联和串联2种计算模型,分别建立了厚型防火涂料的高温导热系数计算公式;采用得到的高温导热系数值进行温度场分析,并将计算值与实测值进行对比。结果表明,利用并联模型公式得到的厚型防火涂料高温导热系数取值最为合理。据此,给出了确定厚型防火涂料高温导热系数的实用方法,为解决厚型防火涂料高温导热系数的取值问题提供了一条有效途径。     

GFRP筋混凝土梁耐火性能的试验研究

进行了4根GFRP筋混凝土简支梁在ISO834标准升温曲线下的火灾实验,试件依据ACI440.1R-06进行截面设计,分别考虑了不同荷载比、保护层厚度、端部锚固方式对梁耐火性能的影响。试验结果表明,GFRP筋混凝土梁在火灾中的裂纹开展深度较传统的钢筋混凝土结构明显偏大。由于GFRP筋横向膨胀大更易造成梁底混凝土的开裂与剥落,建议在满足纵筋锚固性能要求的前提下,尽量减少端部J型锚固筋。GFRP筋在高温下的材料性能衰减严重,合理的设计保护层厚度和限制GFRP筋的使用内力,可使GFRP筋混凝土梁的耐火性能满足实际工程的需要。     

考虑蠕变的约束钢梁简化抗火设计方法

高温荷载作用下钢材产生明显的蠕变变形,对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大的影响。为定量确定高温蠕变对约束钢梁抗火承载力的影响,利用ANSYS建立了考虑蠕变的约束钢梁有限元分析模型。与试验数据对比发现:仅仅通过应力应变关系考虑蠕变不能较好地模拟约束钢梁中蠕变的发展,而采用Poh模型的应力应变关系并考虑蠕变与试验数据吻合最好。利用验证后的分析模型进行参数分析,发现转动约束刚度、屈服强度、升温速率和跨高比等都对约束钢梁的临界温度有明显的影响。《建筑钢结构防火技术规范》给出的约束钢梁抗火设计方法未充分考虑这些参数的影响。对参数分析的结果进行回归分析,给出了适用的考虑蠕变的约束钢梁抗火简化计算方法。