火灾作用下钢筋混凝土结构非线性分析

论文摘要

结构抗火是结构工程领域里的一个重要难题。钢筋混凝土结构的抗火性能虽然优于其它结构,但同样面临抗火问题研究。由于试验设备和火灾试验本身极其昂贵,利用有限元计算软件来模拟钢筋混凝土构件及结构在火灾中的非线性反应变得越来越重要。本文在系统分析和总结目前国内外火灾工程研究概况的基础上,对火灾作用下钢筋混凝土结构进行了非线性有限元分析。其主要内容分为以下几个部分：1.归纳总结了国内外钢筋和混凝土的高温材料性能的研究成果,包括钢筋、混凝土的热工性能参数及热力学性能参数。二者的热工性能参数和热力学性能参数是研究高温下钢筋混凝土结构力学性能的重要前提。2.基于有限元-差分混合方法的数学模型,编制了钢筋混凝土结构的内部温度场分析程序,计算结果与现有的国内外试验结果吻合较好。试验和理论分析比较表明本文采用的理论和编制的程序是合理的。3.考虑到建模需要,简要介绍了本构模型应满足的基本力学原理。然后推导出钢筋混凝土结构材料的高温本构模型的基本公式,给出了建立钢筋和混凝土高温本构模型应遵循的基本步骤。针对钢筋和混凝土高温弹塑性本构模型,基于后退欧拉法建立了弹性预测-塑性修正的数值求解方法,提高了等效塑性应变和塑性变形的计算效率。基于上述本构模型和数值算法,编制了相应的非线性分析程序,并对已有的试验结果进行了数值模拟,验证了本构模型和数值算法的有效性。4.给出了一种计算高温下钢筋混凝土偏压构件极限承载力的简化计算方法,计算中考虑了高温下结构的材料性能、力学性能和稳定性退化以及侧向挠度的影响。通过此方法能够比较准确地计算出不同温度下钢筋混凝土偏压构件的极限承载力,计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上,以四面受火钢筋混凝土方形柱为例,对极限承载力的各个影响因素进行了分析,得出配筋率、钢筋屈服强度对极限承载力影响不大,而混凝土保护层厚度、混凝土受压强度和截面尺寸则是影响极限承载力的主要因素。5.根据材料在不同温度的本构模型,对考虑薄膜应力效应的钢筋混凝土板的极限承载力进行了分析。通过分析板块中面的平衡方程及位移协调方程,建立了由板位移和Airy应力函数表示的两个微分控制方程。基于能量原理,采用二重Fourier级数解推导了火灾作用下楼板的位移、薄膜应力、应变以及板极限承载力的表达式。所得的计算结果与试验结果吻合较好,同时为考虑薄膜效应时楼板的抗火设计提供了参考。6.推导出材料在大变形条件下的热弹塑性本构模型,采用梁-柱单元划分和荷载增量法对钢筋混凝土连续梁的抗火性能进行了非线性分析。通过计算火灾作用下钢筋混凝土连续梁的高温极限承载力和力学性能,分析了不同加载位置、荷载大小以及加温跨数等因素作用下变形和内力重分布的变化规律。结果表明,在升温过程中加载位置和加载水平使得连续梁发生剧烈的内力重分布,并产生可变的高温塑性铰,从而改变结构的破坏形态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.2 钢筋混凝土结构高温性能的特点
• 1.3 国内外钢筋混凝土结构抗火性能研究现状
• 1.3.1 钢筋混凝土结构所处火灾环境的研究
• 1.3.2 钢筋混凝土材料高温性能的研究
• 1.3.3 钢筋混凝土构件的高温性能研究
• 1.3.4 钢筋混凝土结构的高温性能研究
• 1.3.5 钢筋混凝土结构抗火设计方法的研究
• 1.3.6 高温后钢筋混凝土构件和结构的损伤评估与修复
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 钢筋和混凝土的热工性能和热力学性能
• 2.1 引言
• 2.2 热工性能
• 2.2.1 钢筋的热工性能
• 2.2.2 混凝土的热工性能
• 2.3 高温下的力学性能
• 2.3.1 钢筋的力学性能
• 2.3.2 混凝土的力学性能
• 2.4 本章小结
• 第3章 钢筋混凝土结构温度场非线性有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 非线性瞬态温度场的分布
• 3.2.1 钢筋混凝土构件热传导方程
• 3.2.2 钢筋混凝土构件热传导方程的定解条件
• 3.2.3 有限元法求解非线性瞬态温度场分布
• 3.3 试验验证
• 3.4 钢筋混凝土构件截面温度场的影响因素分析
• 3.4.1 截面尺寸的影响
• 3.4.2 受火面数的影响
• 3.4.3 受火时间的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 火灾下钢筋混凝土结构的弹塑性分析
• 4.1 引言
• 4.2 塑性力学的基本准则
• 4.2.1 初始屈服准则
• 4.2.2 流动准则
• 4.2.3 硬化法则
• 4.2.4 加载、卸载准则
• 4.3 火灾作用下钢筋混凝土结构材料弹塑性本构模型
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 高温作用下弹塑性本构模型的基本公式
• 4.3.3 高温作用下混凝土的弹塑性本构模型
• 4.3.4 高温作用下钢筋的弹塑性本构模型
• 4.4 火灾作用下弹塑性本构模型的数值实现
• 4.4.1 应力更新基本步骤
• 4.4.2 塑性修正:回映算法
• 4.4.3 热弹塑性本构数值算法步骤
• 4.5 火灾作用下钢筋混凝土结构弹塑性分析
• 4.5.1 本构模型验证
• 4.5.2 火灾作用下钢筋混凝土结构弹塑性分析
• 4.5.3 试验验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 钢筋混凝土结构高温极限承载力分析
• 5.1 引言
• 5.2 钢筋混凝土结构防火设计的一般原则
• 5.2.1 结构抗火设计要求
• 5.2.2 火灾作用下荷载效应组合
• 5.3 钢筋混凝土结构火灾下的极限状态
• 5.3.1 与承载能力有关的极限状态
• 5.3.2 与分隔功能有关的极限状态
• 5.4 钢筋混凝土偏压构件耐火极限分析
• 5.4.1 钢筋混凝土偏压构件极限承载力计算
• 5.4.2 试验验证
• 5.4.3 钢筋混凝土构件耐火极限承载力的影响因素分析
• 5.5 考虑薄膜效应的钢筋混凝土楼板耐火极限分析
• 5.5.1 火灾时钢筋混凝土板内温度场分析
• 5.5.2 火灾作用下钢筋混凝土板的薄膜效应分析
• 5.5.3 火灾作用下钢筋混凝土板的极限承载力分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 火灾作用下钢筋混凝土超静定结构非线性分析
• 6.1 引言
• 6.2 几何非线性有限元基本方程
• 6.2.1 应变度量的描述
• 6.2.2 应力度量的描述
• 6.2.3 虚位移原理
• 6.2.4 位形表述形式
• 6.3 钢筋混凝土超静定结构抗火性能非线性分析
• 6.3.1 基本假定
• 6.3.2 几何描述与结构离散
• 6.3.3 轴向应变
• 6.3.4 火灾作用下梁-柱单元的增量平衡方程
• 6.3.5 坐标变换
• 6.3.6 阶效应
• 6.3.7 大变形条件下的材料非线性
• 6.3.8 非线性数值求解
• 6.4 试验验证
• 6.5 钢筋混凝土连续梁抗火性能分析
• 6.5.1 高温极限承载力
• 6.5.2 荷载对结构抗火性能的影响
• 6.5.3 内力重分布分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢