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。     

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。     

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.     

方钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能研究

建立了局部火灾下多层多跨矩形钢管混凝土柱-钢梁平面框架温度场和力学性能分析的有限元模型。在考虑楼板影响的基础上,研究了保护层厚度不同时钢管混凝土框架结构的温度场分布规律。研究了不同受火工况条件下钢管混凝土框架结构的变形和破坏规律、耐火极限状态、受火梁的内力状态以及结构耐火极限的规律。分析表明,梁保护层厚度影响钢梁温度分布形式;火灾下,框架结构发生了受火梁的整体屈曲破坏。     

具有端部约束的碳纤维布加固混凝土梁的高温轴力分析

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,探讨了轴向/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轴力的影响规律。在此基础上,给出了一个高温下约束加固梁的轴力实用计算方法。研究表明,随着升温时间增加,约束加固梁的轴力比总体呈现出先逐渐增大而后渐趋平缓甚至降低的趋势;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轴力影响显著。     

温度对CFRP-混凝土界面粘结滑移行为的影响

将粘贴碳纤维(CFRP)粘贴于混凝土表面来加固钢筋混凝土结构的方法,由于施工便捷而被广泛应用。但是粘贴CFRP所用的环氧类胶黏剂对温度过于敏感,明显影响加固效果。尤其是用CFRP加固的混凝土结构的耐火性能很差,限制了这一加固技术的推广。本文在先后2次对不同温度下CFRP-混凝土界面粘结滑移行为试验研究的基础上,结合目前已有的研究成果,对CFRP-混凝土界面粘结滑移行为受温度影响的特性进行评述,并从材性方面对温度对界面的粘结滑移行为的影响进行了机理分析,为分析常温下CFRP加固混凝土结构受力性能和高温(火灾)下防火保护的CFRP加固混凝土结构抗火性能提供了依据。     

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。     

预应力CFRP筋混凝土梁的抗火试验研究

进行了3根预应力CFRP筋混凝土梁的抗火性能试验,考虑了荷载比对试验梁抗火性能的影响,分析了梁截面温度场、跨中挠度变形和CFRP应力随时间的变化规律。试验结果表明:(1)当保护层厚度为90 mm时,CFRP筋的温度不超过200 ℃,可有效降低CFRP筋的受火温度;(2)受火初期试验梁的挠度变形增长较快,随后增长速度趋于平缓;(3)随着荷载比的增加,试验梁的抗火性能不断降低;(4)与传统预应力钢筋相比,预应力 CFRP筋更易受到温度的影响,最终试验梁由于CFRP筋的断裂而破坏。因此,对于预应力CFRP筋混凝土构件,应采取有效的防火措施。     

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。     

预应力混凝土结构抗火设计构造措施分析

预应力混凝土结构在火灾下的抗火性能可以通过理论计算得到保证，但是如果预应力混凝土结构的构造措施不合理，也将大大降低结构的抗火性能，甚至引起预应力失效。通过非线性有限元计算讨论了保护层厚度和防火涂料对结构抗火性能的作用，并对规范要求的保护层厚度进行了分析，最后对锚固区的耐火设计提出了建议。     

碳纤维加固钢筋混凝土板耐火性能试验研究

对5块钢筋混凝土板(分别为未加固、采用有机胶或无机胶粘贴碳纤维加固、采取或不采取防火保护措施)进行标准火灾试验,得出了不同种类的胶粘剂和是否采取防火保护措施对高温下碳纤维加固钢筋混凝土板的破坏形态、跨中变形、耐火极限等的影响。试验结果表明:即使未采取任何防火保护措施,无机胶粘贴碳纤维加固钢筋混凝土板仍具有较好的耐火性能;未采取防火保护措施的情况下,有机胶粘贴碳纤维加固钢筋混凝土板的耐火性能比较差;有机胶粘贴碳纤维加固钢筋混凝土板,采取适当的防火保护措施后,可有效降低碳纤维粘贴层的温度,从而保证碳纤维与混凝土的粘结强度。     

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。     

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...     

基于准平面假定的内嵌CFRP筋加固宽缺口混凝土梁刚度研究

宽缺口混凝土梁是为研究CFRP筋与混凝土界面特性而构造的一种新型混凝土梁,为分析该新型梁加固后的变形与刚度特性,在完成了16根内嵌CFRP筋加固各类混凝土梁静载试验,并详细量测和研究其变形刚度的基础上,基于FRP类材料加固混凝土梁应变协调的准平面假定,根据传统的钢筋混凝土刚度研究理论,在充分考量CFRP筋的刚度贡献的前提下,对内嵌CFRP筋加固的宽缺口混凝土梁的刚度的计算公式进行了理论推导,并将理论公式的计算结果与实测结果进行了比对。研究结果表明:与对比梁相比,内嵌CFRP筋材加固的宽缺口混凝土梁和内嵌CFRP筋加固的普通混凝土梁的刚度有小幅度提高,内嵌的CFRP筋能有效延缓裂缝的发展,减小混凝土梁变形。     

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。     

带板钢筋混凝土简支梁的耐火极限增大系数

利用SAFIR程序,对带板钢筋混凝土简支梁的耐火极限增大系数进行了分析。考察了梁的荷载比、配筋率、保护层厚度、跨高比,以及板的厚度、宽度、保护层厚度和配筋率等参数,对ISO834标准升温过程作用下带板简支梁的耐火极限增大系数的影响规律。通过1296种工况的计算分析,建立了该增大系数的实用计算公式。研究结果表明:①板的保护层厚度对该增大系数的影响较大,随着保护层厚度增加,该增大系数迅速增大;②板的厚度和纵筋配筋率对该增大系数的影响较小;③适当增加板的宽度可以提高该增大系数。     

火灾中植筋连接构件的抗火性能试验研究

为研究火灾中植筋连接构件的抗火性能,进行了35个化学植筋试件在不同温度下(25～200°C)的拉拔试验以及12个植筋连接混凝土构件的受火试验。拉拔试验重点研究了植筋胶的粘结力随温度变化的规律,以及不同温度下植筋胶的粘结—滑移关系,结果表明:随着温度升高,植筋胶的粘结力显著下降。植筋构件的受火试验中,考虑了植筋深度(15d,20d,d为钢筋直径)和保护层厚度(25、40、60mm)两种影响因素。首先对6个试件按ISO834标准升温曲线升温(荷载为常温下植筋构件设计承载力的10%),到指定时间后,加载至构件破坏失效,结果表明:植筋深度和保护层厚度对火灾中植筋连接构件的极限承载力均有重要影响。其后进行了6个构件的恒载升温试验(荷载为常温下常规植筋构件设计承载力的80%),直至构件破坏,结果表明:当保护层厚度小于40mm时,植筋深度和保护层厚度对耐火极限均有重要影响;当保护层厚度大于40mm时,对耐火极限的影响植筋深度要大于保护层厚度。     

CFRP布约束增强高强混凝土柱抗震性能数值分析

采用地震工程开源模拟软件OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation)对CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer,碳纤维增强复合材料)布加固高强钢筋混凝土方柱的抗震性能进行了数值分析。采用Steel02Material和Concrete02Material材料本构模型模拟了CFRP布加固高强混凝土方柱的抗震性能;在此基础上,进一步研究了轴压比和剪跨比这2个因素对试件抗震性能的影响。将所得数值分析结果与相同条件下的试验结果对比后发现:基于Steel02 Material和Concrete02 Material材料本构,利用OpenSees,可以较好地模拟CFRP布加固高强混凝土方柱的抗震性能,并且与试验结果(滞回曲线、骨架曲线、水平承载力和位移延性系数)能够较好地吻合,从而说明该数值分析方法还可以准确地反映出轴压比和剪跨比对高强混凝土柱抗震性能的影响规律。     

考虑真实火灾效应的钢管混凝土偏压构件耐火性能数值模拟

采用FDS(fire dynamics simulator)对某一给定的小空间结构进行了火灾分析,通过Smokeview对FDS模拟的结果进行可视化,得到了三维动态的火灾发展过程,并提取了室内相对真实的升温曲线。在此基础上,通过热-力耦合的分析方法对考虑真实火灾效应时的钢管混凝土偏压构件的耐火性能进行了分析研究,并与标准火进行了比较。分析结果表明:采用ISO-834标准升温曲线计算得到的钢管混凝土柱的耐火极限比考虑真实火灾效应时得到的耐火极限小。此外,通过考虑真实火灾效应的不同参数作用下钢管混凝土偏压构件耐火极限的计算发现,长细比、火灾荷载比以及保护层厚度等对该类构件的耐火极限影响较为显著。     

钢管再生混凝土柱的耐火极限

介绍了考虑再生混凝土粗骨料取代率影响的再生混凝土热工参数模型和热-力本构关系,采用有限元软件ABAQUS对钢管再生混凝土柱进行实体单元建模,模拟火灾作用下该组合柱的力学特性与耐火极限,通过与试验结果的比较验证有限元模型的合理性,并在系统分析各主要参数影响规律的基础上提出钢管再生混凝土柱耐火极限的简化公式。研究结果表明:(1)有限元模拟钢管再生混凝土柱的温度场和耐火极限与实测结果总体符合,验证了提出的再生混凝土热工参数模型和热-力本构关系的正确性;(2)截面尺寸和长细比是影响钢管再生混凝土柱耐火极限的主要因素;(3)简化公式计算钢管再生混凝土柱的耐火极限与试验结果吻合较好。