足尺钢筋混凝土双向板抗火性能研究

摘要

火灾时钢筋混凝土双向板起着重要作用,除自身受到高温作用外,还要防止火势蔓延和结构倒塌,而火灾下钢筋混凝土双向板受力复杂,且影响因素多,目前相关的试验及理论研究不完善。本文在国家自然科学基金面上项目“结构中钢筋混凝土双向板火灾行为研究”(批准号:51178143)和“结构构件火灾时声发射和振动特性的试验研究”(批准号:50878069)的资助下,开展了对足尺邻边简支邻边固支双向板、仅在柱上有梁的双向板楼盖和平板无梁楼盖的抗火性能研究,既可为钢筋混凝土双向板的抗火设计提供数据支持和理论指导,又可为消防工作提供参考。主要开展了以下几方面的研究工作:
　　(1)试验研究足尺抗火试验可以准确反映钢筋混凝土双向板的抗火行为,本文对足尺邻边简支邻边固支双向板、仅在柱上有梁的双向板楼盖和平板无梁楼盖进行了恒载升温的试验研究。三种形式的板各制作了2个试件,试验测量了火灾作用下板的平面内位移和竖向位移等,考察了板的约束反力变化,分析了沿板厚度混凝土温度场的分布以及钢筋的温度变化。试验结果表明:火灾后邻边简支邻边固支双向板的顶部裂缝形成半椭圆形的破坏形式,仅在柱上有梁的双向板楼盖最终呈凹口向上的“球冠”形破坏,平板无梁楼盖的板顶裂缝最终为对角呈双曲线形的破坏形式。单面受火的钢筋混凝土板沿截面厚度方向混凝土温度场呈非线性分布,温度梯度随时间的增长而快速增大,并且水分的影响使混凝土在100℃时产生了一个升温水平段;水分不仅影响了混凝土的升温,还使受火混凝土产生爆裂,含水率太高时板将因混凝土的爆裂而导致破坏。
　　(2)极限承载力计算传统塑性铰线理论对板的极限承载力计算时不能考虑薄膜效应,计算值偏保守,为了正确计算钢筋混凝土板的极限承载力,本文在传统塑性铰线理论的基础上,根据板块的受力平衡,提出了考虑张拉薄膜效应的板块平衡法计算火灾下邻边简支邻边固支双向板的极限承载力;根据板的内力和外力做功平衡,提出了考虑张拉薄膜效应的能量法计算火灾下平板无梁楼盖和邻边简支邻边固支双向板的极限承载力。火灾下板的受拉薄膜效应在塑性铰线形成后才出现,在板块平衡法中,认为板的张拉薄膜力是由塑性铰线上钢筋的竖向分力提供的,而在能量法中,认为板的张拉薄膜效应是由塑性铰线上钢筋的伸长所做塑性功引起。本文所提出方法的计算结果与试验结果吻合很好。在混凝土受压薄膜效应的作用下,仅在柱上有梁的双向板楼盖的板内形成“拱”作用,板的竖向位移在“拱”作用下向上发展,其破坏最终为梁内侧提供受压薄膜力截面上混凝土的压碎破坏。
　　(3)板的声发射特性为了监测火灾作用下板的破坏特征,本文提出了将声发射技术用于火灾下邻边简支邻边固支双向板、仅在柱上有梁的双向板楼盖和平板无梁楼盖的破坏监测研究。考察了火灾作用下板的声发射事件率、能量率和b值的变化,分析了各参数与板的裂缝开展、炉温及竖向位移等的关系。研究结果表明,利用事件率、能量率、b值等参数可以对火灾下钢筋混凝土双向板和双向板无梁楼盖的第一和第二条裂缝的出现做出准确的判断,由于新出现的裂缝与已有裂缝的扩展相重叠,所以并不能区分所有裂缝,但可以准确区分板的裂缝开裂前阶段、裂缝集中出现阶段以及裂缝缓慢扩展阶段。
　　(4)板的振动特性火灾下板的振动特性是其本身的特性,所以本文对火灾下邻边简支邻边固支双向板、仅在柱上有梁的双向板楼盖和平板无梁楼盖的振动特性进行了研究。通过快速Fourier转换,结合数值计算,分析了火灾作用下板的频率变化。结果表明,火灾下邻边简支邻边固支双向板、双向板楼盖和双向板无梁楼盖在火灾作用下频率大幅降低,到停火时这三种形式板的频率下降幅度分别为39.7％、52.7%和42.5%。通过回归分析,本文给出了火灾下三种形式板的频率与板中心竖向位移的关系式。

目录

足尺钢筋混凝土双向板抗火性能研究

STUDIES ON FIRE RESISTANCE PROPERTIES OF FULL-SCALE TWO-WAY REINFORCED CONCRETE SLABS

摘 要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 相关领域研究概况

1.2.1 钢筋混凝土板抗火性能研究概况

1.2.2 火灾下钢筋混凝土板声发射特性研究概况

1.2.3 火灾下钢筋混凝土板振动特性研究概况

1.3 本文研究内容

第2章 高温下材料的热工性能和力学性能

2.1 引言

2.2 高温下混凝土的热工性能和力学性能

2.3 高温下钢筋的热工性能和力学性能

2.4 高温下钢筋和混凝土的粘结性能

2.5 本章小结

第3章 足尺钢筋混凝土双向板抗火性能试验研究

3.1 引言

3.2 火灾试验炉简介

3.3 邻边简支邻边固支双向板抗火性能试验研究

3.4 仅在柱上有梁的双向板楼盖抗火性能试验研究

3.5 平板无梁楼盖抗火性能试验研究

3.6 本章小结

第4章 火灾下钢筋混凝土双向板极限承载力计算

4.1 引言

4.2 邻边简支邻边固支双向板的极限承载力计算

4.3 仅在柱上有梁的双向板楼盖的极限承载力计算

4.4 平板无梁楼盖极限承载力计算

4.5 本章小结

第5章 火灾下足尺钢筋混凝土双向板声发射特性研究

5.1 引言

5.2 声发射及声发射参数

5.3 火灾下邻边简支邻边固支双向板声发射特性研究

5.4 火灾下仅在柱上有梁的双向板楼盖声发射特性分析

5.5 平板无梁楼盖声发射特性分析

5.6 本章小结

第6章 火灾下足尺钢筋混凝土双向板振动特性分析

6.1 引言

6.2 试验设备

6.3 邻边简支邻边固支板振动特性分析

6.4 仅在柱上有梁的双向板楼盖振动特性分析

6.5 平板无梁楼盖振动特性分析

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历