端部約束混凝土構(gòu)件的火災(zāi)行為深化研究項(xiàng)目摘要

通過預(yù)設(shè)有裂縫的混凝土試件的明火試驗(yàn)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(jī)理，力求從溫度場(chǎng)角度初步回答裂縫是否會(huì)對(duì)構(gòu)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(yàn)及系統(tǒng)參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)相鄰樓板及其邊界約束對(duì)端部約束梁火災(zāi)行為的定量影響規(guī)律，建立考慮相鄰樓板時(shí)端部約束梁的耐火極限修正系數(shù)實(shí)用估算方法。通過不同火場(chǎng)情景和不同構(gòu)件參數(shù)情況下混凝土框架結(jié)構(gòu)的大量火災(zāi)響應(yīng)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(yù)測(cè)公式，進(jìn)而開展具有柱端相對(duì)偏移的端部約束混凝土柱的明火試驗(yàn)及耐火性能分析，基于研究數(shù)據(jù)構(gòu)建考慮柱端相對(duì)偏移時(shí)端部約束柱的耐火極限實(shí)用確定方法。預(yù)期成果將有助于突破國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行耐火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)僅停留于獨(dú)立梁和獨(dú)立柱的局限，進(jìn)而為提升混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)的科學(xué)性做出貢獻(xiàn)。

開展了10個(gè)預(yù)置裂縫混凝土試件的明火試驗(yàn)，解釋了試驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，提出了裂縫附近溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法；提煉出4種對(duì)柱端時(shí)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(gòu)建了其定量預(yù)測(cè)公式；開展了4根有側(cè)移混凝土柱的明火試驗(yàn)，進(jìn)行了240種工況的有側(cè)移柱耐火分析，揭示了該側(cè)移對(duì)端部約束柱火災(zāi)行為的影響趨勢(shì)，建立了有側(cè)移柱的耐火極限實(shí)用計(jì)算公式；提出了梁-板組合體的板邊側(cè)向和轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度的實(shí)用確定方法，開展了20個(gè)具有不同邊界條件的混凝土梁-板組合體的明火試驗(yàn)，對(duì)具有邊界約束的梁-板組合體的火災(zāi)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了梁端和板邊約束對(duì)組合體高溫變形及高溫內(nèi)力的影響規(guī)律；開展了8個(gè)混凝土雙柱試件的擬靜力試驗(yàn)，結(jié)合PEER數(shù)據(jù)庫(kù)建立了震損柱的柱端保護(hù)層剝落模型；開展了9個(gè)震損混凝土雙柱試件的明火試驗(yàn)，通過180種工況的參數(shù)分析，揭示了不同參數(shù)對(duì)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(shí)用確定方法。 研究發(fā)現(xiàn)：（1）裂縫寬度（小于3mm）對(duì)裂縫面溫度無(wú)明顯影響，裂縫內(nèi)空氣實(shí)際上發(fā)揮了一定的隔熱作用；（2）柱端時(shí)變側(cè)移僅與本層及上、下相鄰層的受火情況有關(guān)，而與其它層的受火情況關(guān)系不大，考慮柱端時(shí)變側(cè)移對(duì)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(shí)變側(cè)移的增大迅速減小；（3）梁端軸向約束剛度比對(duì)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(dòng)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(duì)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(hù)層剝落加重，軸壓比0.5時(shí)最大層間位移角從0增至1/65對(duì)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(dǎo)致震損柱的耐火極限明顯降低，軸壓比0.25時(shí)即使最大層間位移角達(dá)到1/26，震損柱的耐火極限仍未顯著劣化。 2100433B

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

火災(zāi)高溫可使鋼筋混凝土構(gòu)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(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)若未經(jīng)加固處理就繼續(xù)使用，可能埋下抗震防災(zāi)的巨大隱患。另外，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件在火災(zāi)全過程中的相互約束也可能會(huì)對(duì)火災(zāi)后構(gòu)件的抗剪性能產(chǎn)生一定的影響。然而，目前有關(guān)火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能及高溫下構(gòu)件端部約束對(duì)其影響方面的研究工作較少。為此，本項(xiàng)目從試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值計(jì)算三方面對(duì)上述問題進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果：(1) 進(jìn)行了火災(zāi)后鋼筋混凝土短柱抗震性能的試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，建議了四周受火后鋼筋混凝土柱抗剪承載力的實(shí)用計(jì)算公式。研究表明，火災(zāi)后短柱的抗剪承載力先隨軸壓比的增大而增大，但當(dāng)軸壓比增大至界限軸壓比后反將降低?；馂?zāi)后的界限軸壓比較未受火時(shí)有減小趨勢(shì)。(2) 進(jìn)行火災(zāi)后鋼筋混凝土梁剩余承載性能的試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，建議了三面受火后鋼筋混凝土梁抗剪承載力的實(shí)用計(jì)算公式。研究表明，樓板翼緣對(duì)梁的抗彎承載力具有一定的提高作用，但對(duì)抗剪承載力影響不大。(3) 進(jìn)行了火災(zāi)后混凝土短肢剪力墻抗震性能的試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，建議了四周受火后混凝土短肢剪力墻抗剪承載力的計(jì)算公式。研究表明，暗柱和X形暗支撐可提高火災(zāi)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(jìn)行了高溫下持荷、端部約束對(duì)火災(zāi)后短柱抗震性能影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，高溫下持荷可使火災(zāi)后短柱的抗剪承載力較未持荷時(shí)升高0.5%~2.3%，高溫下帶軸向約束的混凝土短柱火災(zāi)后的抗剪承載力為對(duì)應(yīng)的高溫下無(wú)約束時(shí)的89.9%~100.4%。(5) 進(jìn)行了外包碳纖維布加固火災(zāi)后混凝土短柱的抗震性能、混凝土梁的抗剪性能的試驗(yàn)研究。研究表明采用CFRP加固能將火災(zāi)后短柱、梁的抗剪承載力分別恢復(fù)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(duì)溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律，建立了火災(zāi)后鋼筋混凝土柱剩余壓彎承載力的數(shù)值分析方法和實(shí)用計(jì)算公式?；赑ark損傷評(píng)價(jià)模型建議了一種能反映火災(zāi)高溫對(duì)短柱、短肢剪力墻抗震性能損傷加大程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。上述研究成果可為火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)定、抗剪加固奠定基礎(chǔ)，為相關(guān)規(guī)范的編制提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義和明確的應(yīng)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(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無(wú)設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)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(duì)方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能開展了試驗(yàn)研究與理論分析，并提出了相應(yīng)的抗火設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了方鋼管約束鋼筋混凝土柱足尺明火試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下構(gòu)件截面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)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(duì)火災(zāi)下構(gòu)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(chǎng)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(duì)溫度場(chǎng)和耐火極限的影響規(guī)律，提出了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下鋼管、鋼筋與混凝土溫度的計(jì)算方法與耐火極限的計(jì)算方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，因此分析了端部軸向約束與轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用對(duì)構(gòu)件抗火性能的影響。獲得了軸向約束剛度比和轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比對(duì)構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律，提出了火災(zāi)下構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)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(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目揭示了火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱的工作機(jī)理，建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)方法，為該類構(gòu)件的防火設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善了鋼管約束鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)理論。 2100433B