钢筋混凝土拱形构件高温下力学性能研究

摘要

钢筋混凝土拱形结构是土木工程中常见的结构形式，有着广泛的应用，研究高温下拱形结构的力学性能具有重要的意义，目前对于钢筋混凝土拱形结构的抗火性能研究较少。本文以某拱形构件为例，通过实验研究及有限元分析，着重研究构件在不同火灾高温下的温度分布以及力学性能，主要研究内容与结论如下： （1）对常温下构件的极限承载力进行分析，采用改进的支座用于模拟一种介于传统固定支座和铰支座的支撑方式，优化结构的细部处理，真实的反应了构件的实际受力状况，并与实验结果进行对比，验证模拟方法与边界条件设置的合理性，为分析高温下荷载比对构件耐火性能的影响提供条件。 （2）对高温下钢筋混凝土拱形构件进行试验研究，实验研究表明构件在荷载和高温的共同作用下位移先向下发展，之后出现上拱，并导致了上表面受拉和出现横向裂缝，下表面出现以纵向裂缝为主的龟裂状裂缝；构件上拱的速率与程度随构件受火温度的升高而增加；拱结构本身曲线决定了高温下材料膨胀使构件有上拱趋势，这与荷载效应的方向相反，使构件有利于抗火。对构件的温度场进行实验研究和有限元计算，表明不同的升温曲线和受火状态对构件内部的升温速率和温度分布有较大影响。 （3）通过对比单双面受火时构件破坏时间与荷载比关系，发现在荷载水平较低时，构件双面受火比单面受火的耐火时间长，在荷载水平较高时，情况相反。这是由于在荷载较小时，双面受火的拱形构件更容易上拱，上拱相当于增加了拱的矢高，矢高的增加在一定程度上能提高结构的承载力和耐火时间。 （4）对构件应力状态进行分析，探讨拱形构件高温下的破坏机理，认为高温下构件跨中截面以受压为主，在荷载和材料性能劣化情况下构件上下表面先后发生受压破坏。 本文的实验数据及结果分析可为钢筋混凝土拱形结构的防火设计、耐火方法提供参考，为评估火灾后同类型结构的损失性能、制定修复加固方案提供依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 课题背景

1.1.1火灾的危害

1.1.2研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1混凝土热工参数及温度场研究

1.2.2材料高温力学性能

1.2.3受弯构件

1.2.4轴心受压构件

1.2.5压弯构件

1.3 主要研究内容

第2章常温下拱形构件极限承载力研究

2.1 非线性有限元基本方程求解

2.2 构件极限承载力数值模拟研究

2.2.1单元及模型选择

2.2.2基本约定

2.2.3支座条件分析

2.2.4极限承载力计算

2.3 试验研究

2.3.1试验概况

2.3.2试验过程及现象

2.3.3结果分析

2.4 小结

第3章 高温下钢筋混凝土拱形构件的实验研究

3.1 实验概况

3.1.1试件及测试工况

3.1.2试验设备

3.2 高温下构件实验现象及结果分析

3.2.1实验过程及现象

3.2.2炉内温度及构件内部温度

3.2.3高温下构件变形

3.2.4端部水平力

3.3 小结

第4章 高温作用下构件温度场有限元分析

4.1 材料热工性能

4.1.1混凝土的高温热工参数

4.1.2钢筋热工参数

4.2 热传导方程及其定解条件

4.3 构件温度场有限元分析方法验证

4.3.1基本假定

4.3.2温度场有限元分析与实验对比

4.4 构件内部温度场非线性有限元分析

4.4.1升温曲线

4.4.2不同升温曲线对构件温度场影响计算

4.5 小结

第5章 高温下构件力学性能有限元研究

5.1 材料高温力学性能

5.1.1混凝土高温力学性能

5.1.2钢筋高温力学性能

5.2 高温下热力耦合有限元分析验证

5.2.1有限元模型选择

5.2.2有限元分析与实验对比

5.3 荷载与温度对构件耐火性能影响计算

5.4 拱结构高温破坏机理探讨

5.5 小结

第6章 结论与建议

6.1 结论

6.2 存在的问题和有待进一步开展研究的工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目