火灾作用后钢筋混凝土梁的剩余承载力分析研究

摘要

一旦建筑发生火灾,会造成巨大的经济损失,威胁着人们的生命安全,还会给正常使用或即将投入使用的建筑物带来严重的安全隐患。近几十年来,钢筋混凝土结构已经广泛的应用到工业民用建筑,尤其是在高层建筑和公路桥梁中,混凝土结构比比皆是。当发生火灾时,混凝土结构内部温度、挠度、内力等将随时间不断发生变化,材料力学性能的劣化将导致整个构件承载力水平的下降,进而降低建筑结构体系整体的抗力水平,结构或构件的可靠性能不再满足要求。所以,对钢筋混凝土结构构件抗火性能以及火灾后建筑物的安全性能进行研究分析有着十分重要的意义。由于火灾试验受设备以及场地等条件要求较高、资金消耗较大等因素的限制,利用ANSYS软件模拟构件的有限元热分析就显得尤为重要。
　　本文研究内容主要分为以下几个方面:
　　1.整理总结国内外关于高温影响后钢筋和混凝土材料性能变化的相关研究成果,包括热工性能参数、力学性能参数以及一些理论和经验公式,为后文即将进行的火灾下钢筋混凝土梁温度场分析和剩余承载力计算提供适宜的理论依据和有关应用参数。
　　2.在介绍有限单元法的基本思想和有限元分析问题基本思路的基础上,对均布荷载作用下的梁单元进行了有限元分析计算,结合温度场分析的理论,给出混凝土结构在高温作用的初始条件和边界条件,为高温钢筋混凝土结构有限元分析奠定基础。
　　3.利用ANSYS分析软件对钢筋混凝土梁进行非线性瞬态热分析,模拟了三面受火梁在不同燃烧时间作用下截面温度场的变化,内容包括有限元模型的建立、初始条件和边界条件,并进行有限元求解,最后对计算成果进行分析研究,为钢筋混凝土梁构件火灾后剩余承载力计算提供计算数据。
　　4.基于高温作用后钢筋混凝土受弯构件正截面剩余承载能力的计算方法:分层法和等效截面缩减法,以及简化计算方法,列举实例进行温度场分析和利用三种方法计算火灾后混凝土梁剩余承载力,并验证简化计算方法的实用性。
　　5.运用灰色系统理论,对实例进行有关影响因素关联分析,对灰关联优劣进行比较,同时将影响因子的重要性量化分析。将灰色关联分析应用到火灾影响因素上,使得各因素对耐火极限影响程度的判别更具科学性。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 本课题研究背景及意义

1.3 建筑结构火灾科学研究现状

1.4 钢筋混凝土有限元分析的研究现状与意义

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 火灾场钢筋混凝土结构材料的特性

2.1 概述

2.2 混凝土的热工性能

2.3 混凝土材料高温力学性质

2.4 钢筋热物理参数

2.5 高温钢筋的力学特性

2.6 温度对钢筋混凝土结构材料的粘接作用的影响

2.7 本章小结

第3章 钢筋混凝土结构热分析有限元理论

3.1 ANSYS有限元分析简介

3.2 梁的有限元分析

3.3 热传导方式

3.4 构件热传导微分方程

3.5 矩形截面的温度场求解条件

3.6 非线性瞬态温度场求解

3.7 本章小结

第4章 火灾下钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

4.1 钢筋混凝土梁的ANSYS有限元分析

4.2 ANSYS温度场分析步骤

4.3 钢筋混凝土梁ANSYS热分析结果

4.4 实例温度场分析

4.5 本章小结

第5章 火灾后钢筋混凝土梁的剩余承载力的分析

5.1 概述

5.2 等效截面缩减法

5.3 分层计算法

5.4 简化计算方法

5.5 火灾后混凝土梁剩余承载力计算与验算

5.6 本章小结

第6章 火灾损伤后的钢筋混凝土构件的灰色关联分析

6.1 灰色关联分析概述

6.2 灰色关联分析基本特征性

6.3 灰色关联度计算步骤

6.4 实例分析

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本论文主要结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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