火灾下钢筋混凝土框架结构高温力学性能数值模拟研究

建立一个单层双跨钢筋混凝土框架模型,基于钢筋和混凝土材料的热工性能和高温力学性能,运用ABAQUS 有限元软件对框架结构进行单室和多室火灾模拟,研究不同火灾工况下,梁、柱构件及整体结构的温度场分布、变形特征和内力变化规律。结果表明：框架结构在单跨受火及双跨受火两种不同受火情况下,双跨受火梁及边柱的温度场与单跨受火时相同,而中柱及节点核心区的温度分布存在差异;节点核心区温度较周围的梁段和柱段明显偏低;受火方式及框架柱的轴压比对框架结构高温力学反应存在显著影响。     

四边简支现浇混凝土空心楼盖二次抗火性能试验研究

为探究火灾后采用聚合物砂浆加固修复混凝土空心楼盖二次火灾下的抗火性能,对四边简支混凝土组合塑料模盒空心楼盖进行两次火灾试验。介绍了试验空心楼盖第一次受火试验及火灾后构件修复情况,重点介绍了加固修复后空心楼盖第二次火灾试验,描述了试验空心楼盖在两次受火下的破坏特征、变形和温度场分布规律,并进行分析和对比。研究结果表明:采用聚合物砂浆修复的空心楼盖在二次火灾作用下,第一次火灾受损较为严重的部位易产生爆裂脱落,从而降低了耐火极限;二次受火下楼盖内混凝土的温度峰值高于一次受火,且距离板底越近,两次火灾作用中温度峰值差值越大;试件在两次火灾作用下跨中处最大竖向位移基本相同,第二次受火作用后的残余位移小于第一次;采用聚合物砂浆对火灾后的空心楼盖进行修复,修复后的楼盖仍具有一定的抗火性能。     

侧向力作用下平面钢交错桁架火灾响应弹塑性分析

对高温下钢交错桁架结构的抗侧力性能进行弹塑性有限元分析,考虑侧向力形式、火灾温度等因素,给出结构的侧向位移、弦杆挠度、弯矩等重要参数随温度的变化规律及结构受火后的塑性发展过程,分析其破坏形式与耐火极限。结果表明:受侧向力作用时,该体系顶点侧移随温度的变化主要可分为5个阶段,这与结构受火后各构件相继由弹性阶段进入塑性阶段密切相关。同时,结构的位移、弯矩及塑性发展区域呈现明显的非对称分布,由于火灾膨胀受限使部分构件极易发生塑性变形,并导致受火层出现一系列内力重分布,直至结构破坏。侧向力的作用方式对结构的极限抗火温度影响较小,且最先发生塑性破坏的位置均出现在受火楼层上弦杆中间节间与侧向力相对的端节点处,此区域应加强防火保护等级。以上研究结果可为该结构防火保护的优化设置提供参考。     

海口双子塔-南塔钢结构抗火设计

海口双子塔-南塔结构体系外侧为巨型钢管混凝土柱+钢支撑框架,内部为钢板混凝土核心筒,二者之间为钢结构组合楼盖,需进行抗火设计。采用临界温度法对结构进行抗火设计,基于抗火设计结果建立热-固耦合整体结构模型,继而进行抗火灾连续倒塌分析。分析时考虑了高温下构件材料的刚度、屈服强度等折减以及构件的温度应力,同时对耐火极限后的构件损坏进行了评价。结果表明,采用临界温度法抗火设计以及基于整体结构的火灾全过程分析,基本可实现建筑结构在火灾时的抗连续倒塌设计目标,其中大跨组合钢次梁为防连续倒塌薄弱构件,转换梁及钢结构节点需进行防火加强。     

闭口型压型钢板-再生混凝土组合楼板抗火性能研究

闭口型再生混凝土组合楼板兼具组合结构的优点与固废利用的特点，但高温下再生混凝土热工和力学性能与普通混凝土有明显差别，进一步造成了相应结构构件火灾下抗火性能的差异。为此，对闭口型再生混凝土组合楼板基于承载能力的耐火极限进行了试验与有限元研究，主要参数为再生粗骨料取代率、板型与荷载水平，分析挠度与不同位置处的温度发展，并建立了适用于该类楼板耐火极限简化计算方法。结果表明：受火90 min后，压型钢板与混凝土未发生分离，组合楼板保持了较好整体性；压型钢板闭口位置温度明显低于受火面底钢板，相同位置处再生混凝土组合板温度低于普通混凝土板；耐火极限受取代率的影响较小，再生混凝土组合板相对普通混凝土板耐火极限提高幅度在1.2%～9.2%,且远超过一级耐火极限90 min的要求；考虑钢板闭口部分受弯承载力贡献提出了耐火极限简化计算式，其可较好地预测组合板耐火极限。     

火灾下隧道混凝土高温损伤现场试验研究

为研究火灾高温作用对隧道衬砌混凝土损伤的影响程度,在某公路隧道一横通道内开展现场火灾试验,测量内容包括火灾下隧道内烟气温度、结构内部温度以及火灾前后衬砌表面回弹值。通过对比火灾前后衬砌结构表面回弹值分析火灾损伤范围,并对综合考虑了结构受火面升温速率、最高温度及其持续时间的温度效应与其高温损伤程度间的相关性进行研究。研究结果表明:火灾下隧道拱顶处温度最高,并沿拱腰、边墙逐渐降低,且温度在结构径向方向传递具有一定滞后性;火源正上方拱顶位置处结构损伤最为严重,回弹值降低率达22.9%;隧道混凝土高温损伤程度随其所受温度效应值的增大而愈加严重。     

两层两跨组合钢框架抗火性能的试验研究

利用自行研制的火灾试验炉,对3榀两层两跨组合钢框架在不同火灾工况下的性能进行了试验研究,火灾工况包括:单室受火、同跨受火和底层受火三种工况,试验时,梁、板、柱同时受火,节点不受火.试验中量测了各种工况下的炉温,框架梁、柱及混凝土楼板中的温度分布及框架水平和竖向位移.结果表明:钢柱四面受火时,钢柱翼缘、腹板的温度相差很小;而单面受火时则相差较大;对于钢梁,除了与混凝土接触的上翼缘外,其余H型钢梁的裸露部分温度基本一致;混凝土内部的温升一般滞后于钢梁,钢筋混凝土板对钢梁有约束作用,升温时混凝土限制钢梁的膨胀,降温时则限制钢梁的收缩,致使钢筋混凝土板中出现很多裂缝;组合钢框架在降温时因为收缩,导致节点等处出现不同程度的破坏,并产生很大的残余变形;钢框架未受火部分对受火部分约束很大, 导致受火跨边柱与中柱的变形不对称, 同样也产生了内力重分布;组合梁的抗火性能明显优于钢柱,工程中应对钢柱和节点实施保护.     

不同构造下轻质底层抹灰石膏耐火性能试验研究

采用轻质底层抹灰石膏分别掺入玻璃纤维或挂网构造,对其保护的钢板和钢管混凝土束试件在室内火灾标准升温曲线下开展耐火试验,根据温度曲线结合规范公式计算出不同构造下轻质底层抹灰石膏高温下等效热传导系数,并评估其保护的钢管混凝土束试件耐火性能。试验表明,采用轻质底层抹灰石膏加挂网的防火保护构造能够满足钢结构防火保护要求。钢板试件在受火过程中能保持完整,升温缓慢,试验140 min后,温度基本保持在500℃左右,隔热效果良好。钢管混凝土束构件在受火140 min后,截面所有测点的温度均不超过200℃,表明此种防火保护构造对钢管混凝土束构件具备较好的防火性能。     

组合楼板受火薄膜效应试验研究

为了验证火灾作用下压型钢板组合楼板的受拉薄膜效应,观察楼板破坏现象,了解受火后组合楼板的温度场、位移及钢筋和混凝土的应变状态,本文进行了4个足尺压型钢板组合楼板受火性能试验。在试验过程中,对试验炉温、楼板温度、钢筋温度、钢筋应变、混凝土应变及楼板中心挠度进行了测量,对试验现象进行了解释。通过试验中采集的温度、位移以及应变等数据,对试验结果进行分析,证实了火灾作用下楼板受拉薄膜效应的存在及其在高温下维持楼板承载力的作用。根据试验分析结果得出,由于楼板的薄膜效应的产生,可不对压型钢板组合楼板及板区内的次梁进行防火保护。     

薄壁型钢-混凝土梁-柱节点温度场数值分析

利用有限元数值模拟软件ANSYS对一种新型的薄壁型钢-混凝土梁-柱节点构件在高温火灾条件下的截面温度场变化进行了数值模拟分析,并对节点内部不同位置的温度变化,以及温度场的影响因素进行了参数化分析.结果表明,钢板厚度和构件截面尺寸对温度场影响可以忽略不计,防火保护层对构件的温度场影响显著,填充混凝土在高温初期对温度场有有利影响,1h以后影响显著降低.     

新型轻钢复合墙体承重抗火试验及其墙柱热翼缘温升简化计算研究

提出以蒸压加气混凝土(ALC)板与玻特(CS)板作为覆板组合、以钢蒙皮和钢带作为墙板拼缝保护措施的新型轻钢复合墙体构造,开展了ALC板-CS板覆面的新型构造轻钢复合墙体足尺模型承重抗火试验。将轻钢复合墙体受火侧由不同覆板组合而成的防火构造简化为一层均质防护层,提出均质防护层的等效热物理参数(包括厚度、比热容、密度和导热系数)简化计算方法。根据能量守恒原理以及有限差分方法,提出ALC板-CS板覆面轻钢复合墙体的墙柱热翼缘受火温升简化增量表达式。结果表明:ALC板-CS板覆面轻钢复合墙体在0.27荷载比率条件下发生高温承载力失效的耐火极限达到197 min,表现出优异的耐火性能; 提出的温升简化增量表达式预测结果与有限元模拟结果吻合良好,可以用于确定轻钢复合墙体的耐火极限。     

火灾下钢筋混凝土剪力墙温度场数值模拟

为了研究配筋率、升温曲线、多面受火、传热系数等因素对钢筋混凝土剪力墙温度场的影响,利用COMSOL 多物理场建模与仿真软件对火灾下钢筋混凝土剪力墙温度场进行模拟,并得到不同因素变化条件下的剪力墙的温度场分布规律,模拟结果与试验结果符合良好。对温度场模拟中各参数对温度场的影响进行了讨论,结果表明：受火时间越长,钢筋混凝土剪力墙的温度越高;相比于配筋率和骨料类型,不同升温速率对钢筋混凝土剪力墙的温度场的影响更为显著,且钢筋混凝土剪力墙边缘处的钢筋对其温度场也有明显的影响。此外,单面和三面受火的钢筋混凝土剪力墙的核心区温度值较为接近,双面和四面受火的钢筋混凝土剪力墙的核心温度较为接近;受火面的传热系数中对流传热系数和综合辐射系数对传热的影响显著,当温度大于一定程度时,辐射系数大于0.7 时,对流传热系数对传热的影响可以忽略不计。     

部分预制装配型钢混凝土柱受火后轴压性能试验研究

为研究部分预制装配型钢混凝土(PPSRC)柱在受火后的受压性能,开展了8个足尺PPSRC柱试件在历经ISO 834标准明火试验后的轴压试验和1个未受火PPSRC柱对比试件的轴压试验,研究核心部分混凝土强度、配箍间距及截面尺寸对标准受火条件下试件截面温度-时间曲线、轴压荷载-位移曲线和剩余承载力的影响。结果表明：RPC预制外壳能对内部型钢和核心混凝土起到良好保护作用;箍筋间距、现浇混凝土强度对截面温度场影响不大,型钢保护层越大,截面内部温度升高越慢且最高温度越低;PPSRC柱受火后轴压破坏形态与常温下类似;核心混凝土强度增加,试件承载力增大;箍筋间距减小对受火后试件承载力提高有利。     

不同尺寸钢筋混凝土短柱高温后抗震性能分析

为了研究不同尺寸钢筋混凝土短柱在高温和地震耦合作用下的力学行为,建立了火灾高温后钢筋混凝土(RC)短柱抗震性能研究的三维数值模型,对12个几何形状相似、尺寸大小不同的RC柱进行不同受火时间后的水平反复加载试验。在验证模型有效性的基础上,研究了受火时间和截面尺寸对RC柱温度场分布、破坏模式、低周反复荷载下的骨架曲线、位移延性、刚度退化、抗剪承载力等的影响规律和失效机制; 基于模拟数据和经典的Bazant尺寸效应思想,提出了考虑混凝土强度尺寸效应影响及受火时间、尺寸影响的双参数修正的钢筋混凝土柱抗剪承载力实用计算公式。结果表明:火灾后截面尺寸越大的RC柱温度差异越大,受热越不均匀,角筋比其他纵筋升温快,保护层有助于延缓钢筋温度的升高; 构件高温后刚度退化较常温时平缓; 高温后构件尺寸越大,刚度退化越迅速; 构件抗剪承载力随受火时间增长而降低,并受构件截面尺寸的影响; 提出的钢筋混凝土柱抗剪承载力实用计算公式可供火灾后大尺寸钢筋混凝土柱安全性鉴定作参考。     

1截面形式对高温下钢管混凝土柱轴向加载性能的影响

钢管混凝土柱能够最大限度地发挥材料特性,现广泛用于建筑结构中。钢管混凝土柱承载能力高,能量吸收能力强,结构的抗火性能好。描述了含4种截面形式的一系列钢管混凝土柱在标准火下的抗火性能。按照以下方式将钢管混凝土柱分为三组:室温下截面强度相等、钢管截面面积相等、混凝土截面面积相等。采用ABAQUS软件分析组合柱的温度分布、临界温度和过火时间等情况。基于典型参数的分析和对比,讨论了不同截面形式钢管混凝土柱的温度分布和抗火性能。结果显示,圆截面钢管混凝土柱抗火性能最佳,接下来是椭圆截面、正方形截面和矩形截面。在该研究的基础上,给出了高温下钢管混凝土柱的简化设计方程。     

城市隧道混凝土墙火灾行为数值模拟研究

为探究火灾作用下城市隧道混凝土墙的火灾行为规律,用有限元软件ABAQUS 建立三维混凝土墙数值模型,对其结构温度场分布进行数值模拟,分析得到墙体厚度、保护层厚度、火灾荷载比等因素对墙体变形的影响规律。结果表明：在火灾高温作用下,城市隧道混凝土墙受火面温度迅速升高,且由于混凝土的热惰性,内部会形成较大的温度梯度;混凝土墙体单面受火时的挠度变化规律可分为三个阶段,且火灾高温作用引起材料性能急剧劣化造成的截面中和轴偏移是影响墙体挠度变化的主要原因;混凝土墙体厚度、保护层厚度及火灾荷载比等因素对混凝土墙的火灾行为及其耐火性能均有一定影响,同时墙体挠度随火灾持续时间的增加而增大。     

Performance of insulated FRP-strengthened concrete flexural members under fire conditions

This paper presents the results of fire resistance tests on carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strengthened concrete flexural members, i.e., T-beams and slabs. The strengthened members were protected with fire insulation and tested under the combined effects of thermal and structural loading. The variables considered in the tests include the applied load level, extent of strengthening, and thickness of the fire insulation applied to the beams and slabs. Furthermore, a previously developed numerical model was validated against the data generated from the fire tests; subsequently, it was utilized to undertake a case study. Results from fire tests and numerical studies indicate that owing to the protection provided by the fire insulation, the insulated CFRP-strengthened beams and slabs can withstand four and three hours of standard fire exposure, respectively, under service load conditions. The insulation layer impedes the temperature rise in the member; therefore, the CFRP–concrete composite action remains active for a longer duration and the steel reinforcement temperature remains below 400°C, which in turn enhances the capacity of the beams and slabs.     

高层钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗火性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS,对高层钢管混凝土柱-钢梁组合框架不同区域发生火灾的情况进行数值模拟,研究高温下各构件的温度场分布以及不同区域框架受火时的变形情况、耐火极限、应力分布状况。结果表明：在考虑楼板有利作用下,钢梁上翼缘的温度最低;高层建筑的底层变形最大、耐火极限最短、钢管的应力最集中、核心混凝土处于全截面受压状态。     

压型钢板-组合楼板耐火试验和破坏模式的探讨

在标准升温条件下,对闭口式压型钢板组合楼板进行了耐火试验,并测试了不同部位的升温情况。试验表明,被混凝土包裹的部分升温要比直接受火面慢,但由于热传导,升温122MIN时被混凝土包裹的部分最低温度也超过了600℃;无论是火灾前期还是后期,板的混凝土厚度都是影响组合楼板耐火性能的重要参数。在此基础上,分析了高温状态下组合楼板的试验现象,定性地分析了各影响参数,并探讨了组合楼板在耐火极限状态下的破坏模式。由于影响组合楼板耐火性能的参数多而复杂,因此,建议防火设计时必须保证一定的混凝土厚度,确保火灾下组合楼板的安全。