火灾下钢筋混凝土构件的热反应数值分析和抗火设计方法研究

论文摘要

钢筋混凝土结构由于混凝土材料的热惰性而具有良好的耐火性能,然而在火灾高温的持续作用下,因材料高温性能的劣化而引发的整体结构倒塌的事件仍屡见不鲜。因此,加强和改进钢筋混凝土结构的抗火设计,通过合理的设计手段来提高结构构件的抗火安全性,具有十分重要的现实意义。本文以此为出发点,在大量数值计算和理论分析的基础上,分别建立了各种钢筋混凝土构件的基于分析计算的抗火设计方法。本文的主要工作和研究成果包括:(1)建立了用于钢筋混凝土结构非线性瞬态温度场分析的有限元方程,分析中考虑了混凝土热工性能参数随温度变化的特性,并采用热流平衡迭代过程来提高温度场的求解精度;编制了钢筋混凝土结构温度场分析程序TFARC(Temperature Field Analysis of RC),可以进行稳态、线性瞬态以及非线性瞬态的一维和二维温度场的分析。通过对各类温度场问题的试验数据(或精确解)与程序的数值计算结果的对比研究表明,本文建立的温度场分析数学模型和编制的有限元分析程序TFARC是准确而可靠的。(2)在利用温度场有限元分析程序TFARC进行大量热反应数值分析计算的基础上,通过引入材料平均强度折减系数的概念,分析了材料性能随受火时间变化的规律,并分别建立了四面受火条件下混凝土和钢筋的平均强度折减系数计算公式。(3)分析了混凝土高温崩落现象和构件长细比对钢筋混凝土轴心受压构件抗火性能的影响,并利用混凝土和钢筋的平均强度折减系数,仿照常温时构件的设计方法建立了轴心受压构件极限抗火承载力的计算公式。(4)建立了高温下钢筋混凝土偏心受压构件附加偏心距的计算公式利判断高温下构件大小偏心破坏的界限;利用材料平均强度折减系数和附加偏心距的计算公式建立了偏心受压构件控制截面的平衡方程,用以分析构件的抗火性能。(5)在利用温度场有限元分析程序TFARC进行大量热反应数值分析计算的基础上,建立了三面受火条件下不同部位钢筋的强度折减系数随受火时间变化的关系,从而使钢筋高温屈服强度的确定不必依赖于钢筋的温度;根据受弯构件的高温破坏机理,利用上述钢筋强度折减系数建立了受弯构件高温抗弯承载力的计算公式。本文建立的各种构件抗火设计方法的突出优点在于:不直接依赖于具体的温度场分析,仅根据构件的受火时间即可确定构件的抗火承载力,因而大大简化了构件的抗火设计工作。最后,用大量试验数据和一些规范建议方法验证了这些方法的有效性和准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钢筋混凝土结构在火灾中所处环境的研究进展
• 1.3 钢筋混凝土结构高温性能的研究进展
• 1.4 钢筋混凝土结构抗火设计方法的研究进展
• 1.5 钢筋混凝土结构火灾后损伤评估和修复加固方法的研究进展
• 1.6 本文的研究背景和主要工作
• 第二章 高温下钢筋混凝土材料的热工性能和力学性能
• 2.1 引言
• 2.2 混凝土的热工性能
• 2.3 混凝土的高温力学性能
• 2.4 钢（筋）的热工性能
• 2.5 钢筋的高温力学性能
• 2.6 钢筋和混凝土之间的高温粘结性能
• 第三章 钢筋混凝土结构温度场的非线性有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 火灾的发展和火场升温曲线
• 3.3 钢筋混凝土结构的热传导微分方程
• 3.4 确定火灾下钢筋混凝土结构温度场的方法
• 3.5 钢筋混凝土结构温度场的非线性有限元分析
• 3.6 程序TFARC的功能简介
• 3.7 算例分析
• 3.8 小结
• 第四章 钢筋混凝土轴心受压构件的抗火设计方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 混凝土平均强度折减系数的推导
• 4.3 钢筋平均强度折减系数的推导
• 4.4 混凝土的崩落现象及其对材料高温性能的影响
• 4.5 钢筋混凝土轴心受压构件的抗火设计方法
• 4.6 本章建立的方法与试验结果的对比研究
• 4.7 算例分析
• 4.8 小结
• 第五章 钢筋混凝土偏心受压构件的抗火设计方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 钢筋混凝土偏心受压构件的抗火设计方法
• 5.3 本章建立的方法与试验结果的对比研究
• 5.4 算例分析
• 5.5 小结
• 第六章 钢筋混凝土受弯构件的抗火设计方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 随时间变化的钢筋强度折减系数的推导
• 6.3 钢筋混凝土受弯构件的抗火设计方法
• 6.4 算例分析
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢