火灾下钢筋混凝土结构热弹塑性分析

摘要

钢筋混凝土结构抗火性能研究一直是固体力学和结构工程领域的重要课题之一。由于受到试验设备和试验规模的限制,对于整体结构来说目前主要依靠有限元计算来进行模拟分析。在火灾高温和外部荷载的作用下,钢筋混凝土结构会产生剧烈的内力重分布,变形情况也非常复杂。因此钢筋混凝土结构抗火性能的研究正日益成为学术界和工程界需要解决的一个难题。
　　 本文在国内外钢筋混凝土结构抗火研究成果的基础上,对钢筋和混凝土材料的高温力学性能进行了理论研究,并对钢筋混凝土结构的抗火性能进行了非线性有限元计算,主要研究内容如下:
　　 1比较系统的归纳和总结了国内外关于钢筋和混凝土热工性能和高温力学性能的理论和试验研究成果,为进行钢筋混凝土结构的热分析和结构分析提供了良好的基础。
　　 2以传热学理论为基础采用虚功原理给出了钢筋混凝土构件截面温度场的有限元迭代方程,编制了构件截面温度场分析程序,并对钢筋混凝土构件截面温度场进行了数值计算,计算结果得到了其他研究学者试验结果的验证。讨论了构件截面尺寸、受火方式和受火时间等因素对温度分布情况的影响。
　　 3根据非线性弹性理论和热弹塑性理论,给出了考虑材料徐变性能的一般热弹塑性本构方程,采用不同的屈服法则推导得出了钢筋和混凝土的热弹塑性徐变问题的增量本构方程。采用完全隐式的Euler向后积分法编制了非线性程序对得到的钢筋混凝土热弹塑性本构方程进行了数值模拟,计算结果得到了试验结果的验证,为进行钢筋混凝土结构在高温作用下的抗火性能分析提供了理论依据。
　　 4采用钢筋杆组合单元对钢筋混凝土连续梁进行了划分,根据给出的刚度矩阵对火灾和集中荷载作用下两跨钢筋混凝土连续梁进行了热弹塑性非线性数值求解,并给出了跨中挠度随温度的变化值。基于钢筋混凝土梁截面平衡条件提出了一种双筋矩形截面梁在火灾高温作用下的截面抗弯刚度计算方法,根据力学原理和材料高温特性对恒载升温条件下的钢筋混凝土两跨连续梁的内力重分布和变形全过程进行了弹塑性分析。
　　 5基于完全拉格朗日格式建立了考虑材料与几何双重非线性的钢筋混凝土空间梁柱单元模型,给出了火灾下钢筋混凝土空间梁柱单元的切线刚度矩阵,采用初应力迭代法编制了非线性有限元程序对火灾作用下1榀单层单跨钢筋混凝土框架结构进行了非线性分析,并给出了框架上典型节点的位移随受火时间的变化规律。