预制混凝土叠合楼板抗火性能的试验研究和理论分析

摘要

叠合楼板目前已得到广泛应用，其常温下力学性能研究已进行得比较充分，但火灾高温下叠合楼板的抗火性能的相关研究还非常有限，缺乏具有操作性的叠合楼板抗火设计与火灾后修复建议。本论文进行了8块足尺预制混凝土叠合楼板的抗火性能试验研究和理论分析，对火灾高温下叠合楼板的内部温度场和力学性能的进行了有限元建模和数值分析，最后提出了叠合楼板的抗火设计方法以及火灾后修复建议:
　　首先，对叠合楼板的发展历史和常温力学性能研究现状进行了简单介绍;阐述了火灾事故的危险性以及叠合楼板进行火灾高温下力学性能研究的重要性;总结了目前国内外混凝土结构抗火性能和抗火设计方法的发展现状。
　　其次，进行了8块预制混凝土叠合楼板的足尺抗火性能试验研究，试验主要考察了钢筋类别、板底是否涂抹水泥砂浆粉刷层以及简支或连续3种因素对叠合楼板抗火性能的影响，获得了火灾高温作用下叠合楼板的变形全过程及破坏模式，实测了截面特征点温度、挠度变形以及耐火极限等热学和力学参数，分析了各参数对叠合楼板抗火性能和耐火极限的影响。
　　基于构成叠合楼板的混凝土和钢筋的热工性能模型，利用ABAQUS有限元分析软件建立了叠合楼板的截面温度场分析模型，用已有试验结果进行了模型验证。分析了叠合楼板典型温度场及分布规律，研究了升温曲线、升温时间、截面高度以及防火保护层厚度等对不同受火条件下叠合楼板截面温度分布的影响规律，为叠合楼板火灾下力学性能分析提供了可靠的温度场数据。
　　第四章，确定了混凝土和钢筋（预应力筋和非预应力筋）在高温下的热膨胀系数、强度、弹性模量以及应力-应变关系模型，利用有限元分析软件ABAQUS建立了基于恒载-升温途径下叠合楼板的耐火极限和抗火性能分析模型。应用本文的试验结果以及其他研究者的相关试验数据，验证了有限元分析模型的正确性。在此基础上，对影响叠合楼板抗火性能的主要因素进行分析和比较。
　　最后，为满足叠合楼板抗火设计与火灾后加固修复的需要，根据耐火极限参数分析结果，总结各因素的影响规律，提出了不同耐火等级下的抗火要求。叠合楼板发生火灾后，根据受火的损伤程度不同，受火损伤较小的部分叠合楼板可以在加固修复后继续使用。综合考虑火灾温度、构件变形大小、裂缝分布及开展情况等，给出了火灾后叠合楼板安全性评估方法和火灾后加固设计方法，为发生火灾后叠合楼板的处理措施提供了有效建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 叠合楼板的特点

1．2 课题研究背景

1．3 叠合楼板的发展过程及研究现状

1．4 混凝土结构抗火性能的研究现状

1．4．1 火灾作用的研究

1．4．2 结构内部温度场分布研究

1．4．3 高温下混凝土和钢筋的热工性能研究

1．4．4 高温下混凝土和钢筋的力学性能研究

1．4．5 高温下混凝土爆裂性能研究

1．4．6 混凝土结构火灾反应研究

1．4．7 结构抗火设计方法研究

1．5 主要研究内容和目的

第2章 火灾下预制混凝土叠合楼板力学性能试验研究

2．1 引言

2．2 板件设计与制作

2．2．1 板件设计

2．2．2 板件制作

2．2．3 几何参数测量

2．3 试验装置与试验方案

2．3．1 试验装置

2．3．2 构件及测点布置

2．3．3 试验方案

2．4 高温后材料性能试验

2．4．1 混凝土高温后材料性能试验

2．4．2 钢筋高温后材料性能试验

2．5 试验过程及现象

2．6 试验结果分析

2．6．1 高温下构件内部的温度场

2．6．2 高温下构件的耐火极限

2．6．3 高温下构件的变形

2．6．4 高温下连续叠合楼板端部负弯矩变化

2．7 本章小结

第3章 火灾下叠合楼板内部温度场有限元分析

3．1 引言

3．2 火灾的发展及火场的升温曲线

3．2．1 火灾发展过程的特点

3．2．2 火场的升温曲线

3．3 材料的热工性能

3．2．1 导热系数

3．2．2 比热和质量密度

3．2．3 热膨胀系数

3．4 温度场分析物理模型

3．4．1 热量传递方式

3．4．2 热传导基本方程与定解条件

3．4．3 求解方法

3．5 截面温度场的非线性有限元分析

3．5．1 基本假定

3．5．2 计算步骤

3．5．3 分析结果对比

3．6 参数分析

3．6．1 混凝土热工参数

3．6．2 迎火面对流系数

3．6．3 热辐射系数

3．6．4 混凝土保护层厚度

3．7 本章小结

第4章 叠合楼板抗火性能的非线性分析

4．1 引言

4．2 高温下材料本构关系

4．2．1 混凝土

4．2．2 非预应力筋

4．2．3 预应力筋

4．3 火灾作用下叠合楼板的数值分析

4．3．1 有限元分析模型的建立

4．3．2 分析结果对比

4．4 参数分析

4．4．1 预应力叠合楼板参数分析

4．4．2 非预应力叠合楼板参数分析

4．5 本章小结

第5章 叠合楼板的抗火设计及火灾后加固设计

5．1 引言

5．2 叠合楼板的抗火设计

5．2．1 叠合楼板的防火要求

5．2．2 叠合楼板的抗火构造措施

5．2．3 火灾下叠合楼板的正截面承载力计算

5．2．4 预应力叠合楼板防爆裂措施

5．3 火灾后叠合楼板的加固设计

5．3．1 火灾后叠合楼加固评定标准

5．3．2 高温后材料的力学性能

5．3．3 火灾后叠合楼板的正截面承载力计算

5．3．4 火灾后叠合楼板的加固方法

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间所发表的学术论文