FRP筋混凝土结构抗火性能的研究

论文摘要

纤维增强树脂(Fiber Reinforced Polymer简称FRP)筋与普通钢筋相比,具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、电磁绝缘性能好等特点。FRP筋代替钢筋有效地解决了钢筋锈蚀所引起的混凝土结构耐久性问题,提高了结构使用寿命,在工程中得到了广泛应用。国内外已进行了较多FRP筋混凝土结构强度、粘结滑移、疲劳和裂缝等方面的理论和试验研究。但火灾作用下FRP筋混凝土结构性能方面的研究才刚刚开始,有大量工作需要开展。因此,进行FRP筋混凝土结构抗火性能方面的研究是十分必要的,也有利于制定该方面的防火规范,来指导工程实际应用。本文采用有限元法研究了FRP筋混凝土柱和框架的抗火性能,主要研究内容分为如下几个方面:(1)首先在考虑混凝土和FRP筋的导热系数、比热和热膨胀率等热工参数随温度升高的变化的基础上,建立FRP筋混凝土构件温度场分析模型。与已有试验结果对比,验证本文采用的有限元模型分析火灾下FRP筋混凝土结构温度场的可行性。(2)在模拟过程中,考虑混凝土和FRP筋的强度和刚度随温度变化的影响,建立火灾下力学性能有限元分析模型。通过与已有试验进行对比,证明本文有限元模型分析火灾下FRP筋混凝土结构力学性能的可行性。(3)研究火灾作用下FRP筋混凝土柱的温度场和力学性能。主要分析配筋率、截面尺寸、保护层厚度、受火面和柱端约束对FRP筋混凝土柱抗火性能的影响。基于对有限元结果进行研究,得出关于配筋率、截面尺寸和保护层厚度的FRP筋混凝土柱耐火时间公式。(4)研究火灾作用下FRP筋混凝土框架温度场和力学性能。采用有限元方法分析了火灾位置对框架抗火性能的影响。比较边界条件、受火情况相同的框架柱与单个柱的耐火时间,给出了FRP筋混凝土框架边柱耐火时间的简化计算方法。研究发现,配筋率、截面尺寸、保护层厚度、受火情况和柱端约束对柱抗火性能有一定影响,并给出了关于配筋率、截面尺寸和保护层厚度的柱耐火时间公式。框架对柱端约束有很大影响,使得前面推导公式应用时荷载得选取注意。顶层受火的耐火时间要小于非顶层受火的耐火时间,比较了框架柱与单个柱抗火性能的差异,给出了框架边柱耐火时间计算的简化方法,为FRP筋混凝土结构防火设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 FRP 筋的性能
• 1.1.3 FRP 筋的应用
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状及分析
• 1.2.2 国内研究现状及分析
• 1.2.3 抗火设计方法
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 FRP 筋混凝土温度场有限元模型
• 2.1 引言
• 2.2 材料的热工性能
• 2.2.1 混凝土的热工性能
• 2.2.2 FRP 筋的热工性能
• 2.3 热传导偏微分方程及定解条件
• 2.3.1 热传导偏微分方程
• 2.3.2 方程的定解条件
• 2.4 有限单元法求解非线性瞬态温度场分布
• 2.4.1 温度场的有限元法
• 2.4.2 单元的离散化
• 2.5 火灾温度场有限元模型
• 2.6 试验验证
• 2.7 本章小结
• 第3章 FRP 筋混凝土火灾力学有限元模型
• 3.1 引言
• 3.2 材料在高温下的力学性能
• 3.2.1 混凝土的高温力学性能
• 3.2.2 FRP 筋的高温力学性能
• 3.3 火灾力学有限元模型
• 3.4 试验验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 FRP 筋混凝土柱抗火性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 火灾下柱温度场计算结果
• 4.3 火灾下柱力学性能分析
• 4.3.1 配筋率的影响
• 4.3.2 截面尺寸的影响
• 4.3.3 保护层厚度的影响
• 4.3.4 耐火时间拟合公式
• 4.3.5 受火面和柱端约束的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 FRP 筋混凝土框架抗火性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 框架火灾计算模型
• 5.3 火灾下框架温度场计算结果
• 5.4 火灾下框架力学性能分析
• 5.4.1 火灾位置对框架抗火性能的影响
• 5.4.2 框架柱与单个柱抗火性能比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢