钢筋混凝土结构抗火能力数值模拟试验研究

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20世纪以来,建筑行业发展迅速,钢筋混凝土结构在工程结构中占有越来越大的比重。钢筋混凝土由于具有较好的耐火性,成为建筑材料的首选。然而,发生火灾时,由于高温作用,钢筋和混凝土的力学性能随着温度的升高而下降。另外,由于混凝土的热惰性,结构附近温度梯度增大,构件截面形成不均匀的温度场,导致温度应力不均和构件内部应力重分布,造成结构破坏或整体倒塌。因此,研究钢筋混凝土的抗火性能十分必要和迫切。本文以国家自然科学基金“基于‘剩余强度’热损伤模型的钢筋混凝土结构抗火能力研究(NNSF:51178474) "为背景,对高温下足尺钢筋混凝土门框结构进行了数值模拟试验研究。主要研究内容如下:首先,结合国内外不同文献中对钢筋混凝土结构抗火性能的研究成果及现状,分析影响钢筋混凝土构件抗火性能的影响因素,确定数值模拟过程中建筑材料的热工性能和力学性能与温度有关的变化规律。其次,考虑升温过程中材料的热工性能和力学性能的变化,以标准升温曲线中的温度变化为基准,将其应用于有限元分析软件ANSYS的温度荷载中,针对3种温度水平(600℃,800℃,1000℃)和三种荷载水平(21kN,28kN,35kN)编制了9组非线性分析程序,对火灾下结构构件的温度变化情况进行热-力-结构耦合分析,得出火灾下框架的温度云图以及水平方向和竖直方向位移分布云图以及应力分布云图,分析受火后混凝土构件的三维温度场分布、时温曲线、位移变化和应力-应变等情况,讨论混凝土构件的抗火性能。最后,对经历火灾后的钢筋混凝土结构在室温条件下进行蠕变模拟试验,即在梁跨长L/3和2L/3处施加竖向静力载荷作为蠕变荷载,蠕变总时间设定为8h,蠕变过程分两个阶段,初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段,编制9组非线性分析程序,求解并得出相应的结果,并绘制钢筋混凝土蠕变曲线,进而与物理试验所得的构件蠕变曲线进行对比,并对应力-应变曲线进行分析,得出相关结论。本文研究为钢筋混凝土抗火能力研究提供了重要的数值模拟试验依据,为以后相关的深入研究和应用提供了有益参考。
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