端部約束混凝土構件的火災行為深化研究結(jié)題摘要

開展了10個預置裂縫混凝土試件的明火試驗，解釋了試驗現(xiàn)象產(chǎn)生的機理，提出了裂縫附近溫度場的簡化計算方法；提煉出4種對柱端時變側(cè)移影響較大的受火方式，揭示了該側(cè)移的變化規(guī)律，構建了其定量預測公式；開展了4根有側(cè)移混凝土柱的明火試驗，進行了240種工況的有側(cè)移柱耐火分析，揭示了該側(cè)移對端部約束柱火災行為的影響趨勢，建立了有側(cè)移柱的耐火極限實用計算公式；提出了梁-板組合體的板邊側(cè)向和轉(zhuǎn)動約束剛度的實用確定方法，開展了20個具有不同邊界條件的混凝土梁-板組合體的明火試驗，對具有邊界約束的梁-板組合體的火災行為進行了數(shù)值模擬，揭示了梁端和板邊約束對組合體高溫變形及高溫內(nèi)力的影響規(guī)律；開展了8個混凝土雙柱試件的擬靜力試驗，結(jié)合PEER數(shù)據(jù)庫建立了震損柱的柱端保護層剝落模型；開展了9個震損混凝土雙柱試件的明火試驗，通過180種工況的參數(shù)分析，揭示了不同參數(shù)對震損柱耐火性能的影響規(guī)律，提出了震損柱耐火極限折減系數(shù)的實用確定方法。 研究發(fā)現(xiàn)：（1）裂縫寬度（小于3mm）對裂縫面溫度無明顯影響，裂縫內(nèi)空氣實際上發(fā)揮了一定的隔熱作用；（2）柱端時變側(cè)移僅與本層及上、下相鄰層的受火情況有關，而與其它層的受火情況關系不大，考慮柱端時變側(cè)移對端部約束柱的彎矩影響較大，軸向荷載較大的端部約束柱的耐火極限隨著柱端時變側(cè)移的增大迅速減??；（3）梁端軸向約束剛度比對梁端彎矩和梁端軸力具有顯著影響，升溫中期梁端截面的彎矩和軸力隨著板邊轉(zhuǎn)動約束剛度比的增大逐漸明顯減小，板邊側(cè)向約束剛度比對梁-板組合體的梁跨中撓度和梁端內(nèi)力影響有限；（4）隨著最大層間位移角和軸壓比的增大，柱端保護層剝落加重，軸壓比0.5時最大層間位移角從0增至1/65對震損柱的耐火極限影響不大，但最大層間位移角增至1/40將導致震損柱的耐火極限明顯降低，軸壓比0.25時即使最大層間位移角達到1/26，震損柱的耐火極限仍未顯著劣化。 2100433B

通過預設有裂縫的混凝土試件的明火試驗及數(shù)值分析，揭示裂縫面及其鄰近區(qū)域的溫度分布特征，解釋該特征的形成機理，力求從溫度場角度初步回答裂縫是否會對構件耐火性能產(chǎn)生較明顯影響。通過具有不同程度梁端約束和板邊約束的混凝土梁-板組合體的明火試驗及系統(tǒng)參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)相鄰樓板及其邊界約束對端部約束梁火災行為的定量影響規(guī)律，建立考慮相鄰樓板時端部約束梁的耐火極限修正系數(shù)實用估算方法。通過不同火場情景和不同構件參數(shù)情況下混凝土框架結(jié)構的大量火災響應分析，揭示梁受熱膨脹引發(fā)的柱端側(cè)移的變化規(guī)律，提出具有一定普適性的柱端側(cè)移的定量預測公式，進而開展具有柱端相對偏移的端部約束混凝土柱的明火試驗及耐火性能分析，基于研究數(shù)據(jù)構建考慮柱端相對偏移時端部約束柱的耐火極限實用確定方法。預期成果將有助于突破國內(nèi)外現(xiàn)行耐火設計標準僅停留于獨立梁和獨立柱的局限，進而為提升混凝土結(jié)構耐火設計的科學性做出貢獻。

研究不同受火時間后約束鋼筋混凝土梁、柱構件的抗剪性能，揭示受火時間、構件端部約束、荷載比等因素對全過程火災作用后鋼筋混凝土構件抗剪性能的影響特點。建立火災后約束鋼筋混凝土構件抗剪性能的數(shù)值分析模型,并開發(fā)相應的全過程分析程序。分析總結(jié)高溫下相鄰構件之間的相互作用對高溫后鋼筋混凝土構件抗剪性能的影響規(guī)律，建立火災后約束鋼筋混凝土梁、柱構件殘余抗剪承載力的實用計算方法。在考慮高溫下內(nèi)力重分布過程對構件損傷作用的情況下，研究并提出火災后鋼筋混凝土結(jié)構內(nèi)力(含軸力、彎矩和剪力)的簡化計算方法。針對高溫下結(jié)構中構件受到相鄰構件的約束會影響其高溫后力學性能的特點，本項目可以填補火災后約束鋼筋混凝土構件抗剪性能研究的空白，為火災后鋼筋混凝土結(jié)構損傷評定、抗剪加固奠定基礎，為相關規(guī)范的編制提供科學依據(jù)，因而具有重要的理論意義和明確的應用前景。

火災高溫可使鋼筋混凝土構件的抗剪性能降低、甚至出現(xiàn)剪切破壞。位于地震區(qū)的火災后混凝土結(jié)構若未經(jīng)加固處理就繼續(xù)使用，可能埋下抗震防災的巨大隱患。另外，結(jié)構中構件在火災全過程中的相互約束也可能會對火災后構件的抗剪性能產(chǎn)生一定的影響。然而，目前有關火災后鋼筋混凝土構件的抗剪性能及高溫下構件端部約束對其影響方面的研究工作較少。為此，本項目從試驗、理論分析、數(shù)值計算三方面對上述問題進行了較系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果：(1) 進行了火災后鋼筋混凝土短柱抗震性能的試驗研究和數(shù)值計算，建議了四周受火后鋼筋混凝土柱抗剪承載力的實用計算公式。研究表明，火災后短柱的抗剪承載力先隨軸壓比的增大而增大，但當軸壓比增大至界限軸壓比后反將降低?；馂暮蟮慕缦掭S壓比較未受火時有減小趨勢。(2) 進行火災后鋼筋混凝土梁剩余承載性能的試驗研究和數(shù)值計算，建議了三面受火后鋼筋混凝土梁抗剪承載力的實用計算公式。研究表明，樓板翼緣對梁的抗彎承載力具有一定的提高作用，但對抗剪承載力影響不大。(3) 進行了火災后混凝土短肢剪力墻抗震性能的試驗研究和數(shù)值計算，建議了四周受火后混凝土短肢剪力墻抗剪承載力的計算公式。研究表明，暗柱和X形暗支撐可提高火災后短肢剪力墻的剛度和耗能能力，受火前后短肢剪力墻的滯回規(guī)則明顯不同。(4) 進行了高溫下持荷、端部約束對火災后短柱抗震性能影響的試驗研究。結(jié)果表明，高溫下持荷可使火災后短柱的抗剪承載力較未持荷時升高0.5%~2.3%，高溫下帶軸向約束的混凝土短柱火災后的抗剪承載力為對應的高溫下無約束時的89.9%~100.4%。(5) 進行了外包碳纖維布加固火災后混凝土短柱的抗震性能、混凝土梁的抗剪性能的試驗研究。研究表明采用CFRP加固能將火災后短柱、梁的抗剪承載力分別恢復至未受火試件的11.2%~17.1%、5.3%~34.3%，且考慮樓板翼緣的影響，采用“U形包裹 壓條”方式加固混凝土梁可取得較好的加固效果。(6) 利用有限元方法分析了截面含鋼率對溫度場分布的影響規(guī)律，建立了火災后鋼筋混凝土柱剩余壓彎承載力的數(shù)值分析方法和實用計算公式?；赑ark損傷評價模型建議了一種能反映火災高溫對短柱、短肢剪力墻抗震性能損傷加大程度的評價指標。上述研究成果可為火災后鋼筋混凝土結(jié)構的損傷評定、抗剪加固奠定基礎，為相關規(guī)范的編制提供科學依據(jù)，具有重要的理論意義和明確的應用前景。 2100433B

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點構造簡單等優(yōu)點，在高層建筑與大跨空間結(jié)構中得到了應用。目前國內(nèi)外尚無關于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此對方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能開展了試驗研究與理論分析，并提出了相應的抗火設計方法。首先進行了方鋼管約束鋼筋混凝土柱足尺明火試驗，實測了標準火災作用下構件截面關鍵測點溫度、軸向變形、柱頂轉(zhuǎn)角、側(cè)向變形、耐火極限和破壞模式，獲得了荷載比和偏心距對火災下構件變形和耐火極限的影響規(guī)律。建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱溫度場和耐火極限的有限元分析模型，分析了荷載比、截面尺寸、偏心率等參數(shù)對溫度場和耐火極限的影響規(guī)律，提出了標準火災作用下鋼管、鋼筋與混凝土溫度的計算方法與耐火極限的計算方法。實際結(jié)構中受火柱受到相鄰構件的約束，受力機理和抗火性能與單體構件顯著不同，因此分析了端部軸向約束與轉(zhuǎn)動約束作用對構件抗火性能的影響。獲得了軸向約束剛度比和轉(zhuǎn)動約束剛度比對構件耐火極限的影響規(guī)律，提出了火災下構件計算長度計算公式，以及考慮端部約束的方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火設計方法。本項目揭示了火災下方鋼管約束鋼筋混凝土柱的工作機理，建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設計方法，為該類構件的防火設計奠定了基礎，進一步完善了鋼管約束鋼筋混凝土柱的設計理論。 2100433B