无粘结预应力混凝土扁梁抗火性能的试验研究和理论分析

论文摘要

近年来，预应力混凝土技术已在工程领域得到了较大的发展和广泛的应用，但对其日益引起人们重视的使用安全性尤其抗火性能的研究却尚不完善。本文以无粘结预应力混凝土扁梁为对象，对无粘结预应力混凝土结构在火灾中的特性和火灾后的受力性能进行了试验研究，并采用理论分析和数值计算相结合的方法，对无粘结预应力混凝土结构的抗火性能进行了分析和探讨。主要内容包括： (1)对高温后新Ⅲ级钢筋的力学性能进行试验研究，分析总结了其各力学性能指标随所经历的高温而变化的规律，提出了相应的计算表达式以及高温后新Ⅲ级钢筋受拉应力—应变全曲线计算公式。 (2)基于传热学基本原理，对钢筋混凝土结构的非线性瞬态温度场进行了分析和计算。提出了一种求解其一维温度场的解析解法，推导出理论求解公式并进行了计算。还采用有限单元法对其二维温度场进行了分析，并编制了程序进行计算。 (3)对26根无粘结预应力混凝土扁梁进行了高温下受力性能的试验研究。自行研制了大型拼装式多功能电力加热炉。通过试验观察并了解了无粘结预应力混凝土扁梁在高温下的变形特点、损坏形态以及无粘结预应力钢筋的应力变化，探讨了高温时施加的恒载、混凝土净保护层厚度和综合配筋指标等因素对其抗火性能的影响。 (4)完成了26根高温后的无粘结预应力混凝土扁梁的静力试验，研究了其宏观表象、静载破坏特征和变形规律，并对其高温后剩余承载力进行了比较和分析，提出了高温后预应力混凝土受弯构件的剩余承载力的简化计算方法。 (5)提出了无粘结预应力混凝土受弯构件考虑高温和荷载共同作用下进行非线性有限元全过程分析的方法。采用混凝土和钢筋的温度—应力耦合本构模型，并将无粘结预应力筋内力与未知结点位移共同作为待求列矢，推导出高温下无粘结预应力混凝土受弯构件非线性有限元全过程分析的增量有限元格式，并编写了相应的计算程序。通过大量数值计算，对高温时施加的恒载、混凝土净保护层厚度和综合配筋指标等影响无粘结预应力混凝土受弯构件受力性能的主要因素进行了分析，充分验证了本文分析理论和计算程序的正确性。本文研究成果可为制订我国预应力混凝土结构抗火设计规范提供参考。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 国内外建筑防火的发展
• 1.2.2 国内外建筑抗火研究的状况
• 1.2.3 预应力混凝土结构抗火性能的研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 钢筋和混凝土材料高温的热工和力学性能
• 2.1 引言
• 2.2 钢材高温下和高温后的热力学性能
• 2.2.1 高温下钢筋的热工性能
• 2.2.2 高温下钢筋的力学性能
• 2.2.3 新Ⅲ级钢筋高温后的热力学性能
• 2.2.4 高温下预应力钢丝的热力学性能
• 2.2.5 高温后预应力钢绞线的力学性能
• 2.3 混凝土高温下的热力学性能
• 2.3.1 高温下混凝土的热工性能
• 2.3.2 高温下混凝土的力学性能
• 2.4 高温后混凝土的力学性能
• 2.4.1 高温后混凝土的抗压强度
• 2.4.2 高温后混凝土的抗拉强度
• 2.4.3 高温后混凝土的受压弹性模量
• 2.4.4 高温后混凝土的受压应力-应变全曲线
• 2.5 小结
• 第三章 钢筋混凝土结构瞬态温度场的计算
• 3.1 引言
• 3.2 温度场基本概念及其求解方法
• 3.3 热传导方程及定解条件
• 3.3.1 热传导方程
• 3.3.2 定解条件
• 3.4 一维热传导问题求解钢筋混凝土构件内截面温度场
• 3.4.1 一维热传导方程求解
• 3.4.2 解的正确性验证
• 3.5 试验实测温度场
• 3.6 钢筋混凝土截面二维温度场有限元分析
• 3.6.1 瞬态二维温度场有限元格式推导
• 3.6.2 单元划分和温度场的离散
• 3.6.3 瞬态二维温度场的时间差分格式
• 3.6.4 计算程序框图
• 3.6.5 WDCY程序计算结果验证
• 3.7 小结
• 第四章 高温下无粘结预应力混凝土扁梁受力性能试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试件设计与试验装置
• 4.2.1 试件设计
• 4.2.2 试验装置和测量
• 4.3 试验过程及现象
• 4.3.1 无粘结预应力混凝土扁梁常温静载试验
• 4.3.2 无粘结预应力混凝土扁梁高温下试验
• 4.4 试验分析
• 4.4.1 常温静载荷载-挠度曲线
• 4.4.2 常温静载无粘结预应力筋的荷载-应力增量的关系
• 4.4.3 高温下构件内部的温度场
• 4.4.4 高温下构件的变形
• 4.4.5 高温下无粘结预应力筋的应力变化
• 4.4.6 初始恒载对抗火性能的影响
• 4.4.7 不同混凝土保护层厚度对抗火性能的影响
• 0对抗火性能的影响'>4.4.8 不同综合配筋指标q₀对抗火性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 高温下无粘结预应力混凝土受弯构件非线性有限元全过程分析
• 5.1 引言
• 5.2 基本假定
• 5.3 高温下材料的本构模型
• 5.3.1 增量型混凝土的温度-应力耦合本构模型
• 5.3.2 增量型普通钢筋的温度-应力耦合本构模型
• 5.3.3 增量型预应力钢绞线的温度-应力耦合本构模型
• 5.4 截面本构矩阵
• 5.5 单元刚度矩阵
• 5.6 平衡方程
• 5.7 无粘结预应力筋总变形协调条件和对梁单元有限元列式的影响
• 5.8 非线性方程组的求解方法及收敛准则
• 5.8.1 非线性方程组的求解
• 5.8.2 耦合性的处理和不平衡力的计算
• 5.8.3 收敛准则
• 5.9 计算步骤小结及程序计算框图
• 5.9.1 计算步骤小结
• 5.9.2 程序计算框图
• 5.10 实例计算及与试验结果比较
• 5.10.1 实例计算
• 5.10.2 试验与计算结果的比较与分析
• 5.11 小结
• 第六章 高温后无粘结预应力混凝土扁梁受力性能试验及计算方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 高温后无粘结预应力混凝土扁梁的宏观表象
• 6.3 加载试验的内容和方法
• 6.4 试验过程和构件破坏特征
• 6.5 构件的变形
• 6.6 预应力筋应力增量
• 6.7 高温作用后无粘结预应力混凝土扁梁剩余承载力分析
• 6.7.1 高温时恒载的作用对无粘结预应力扁梁灾后剩余承载力的影响
• 6.7.2 不同混凝土净保护层厚度对高温后剩余承载力的影响
• 0对高温后剩余承载力的影响'>6.7.3 不同综合配筋指标q₀对高温后剩余承载力的影响
• 6.8 高温后预应力混凝土受弯构件剩余承载力简化计算方法
• 6.9 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目