基于时变约束模型的RC框架梁火灾响应研究

摘要

高温下，钢筋混凝土梁在整体结构中承受来自相邻梁和柱的轴向约束和转动约束。在实际火灾场景下，火灾蔓延和相邻构件受火劣化等因素的影响使得钢筋混凝土梁端部受到的约束强度本身也在变化。端部约束随时间的变化，将直接影响钢筋混凝土梁等受弯构件在升降温全过程中的位移和内力重分配。为深入研究时变约束对钢筋混凝土梁火灾响应的影响规律，开展了升降温全过程下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性研究。主要工作如下： （1）考虑两种不同轴向及转动约束刚度比的端部约束条件，进行了钢筋混凝土梁常温下的力学性能试验。对梁的竖向及轴向位移、裂缝开展和极限承载力等规律进行了分析。研究结论表明，约束刚度比越小，梁的竖向及轴向位移越大；端部约束刚度比的增大提高了梁的极限承载能力。 （2）研制了能够设定程序使构件按照ISO834标准升温曲线升温的高温试验电炉，并基于两种不同初始轴向及转动约束刚度比的端部约束条件，进行了恒定荷载下梁升降温全过程中端部约束的时变特性及其结构响应的试验研究。对梁截面温度场分布、梁的竖向、轴向及转角位移、梁端弯矩及轴力随受火时间的变化规律进行了分析。研究结论表明，梁的竖向及转角位移、梁端弯矩及轴力等均在升温60min左右后出现峰值，且在整个升降温全过程中具有时变特性，可为结构的性能化抗火设计提供科学依据。 （3）对升降温后自然冷却的约束钢筋混凝土梁进行了剩余承载力性能试验。对两种不同轴向及转动约束刚度比下的钢筋混凝土梁高温后的竖向位移、轴向位移、裂缝开展、极限承载力和破坏特征等规律进行了分析。研究结论表明，初始约束刚度比越大，经受高温后梁的极限承载力越大。与常温构件相比，经受高温后梁的极限承载力明显降低。且初始约束刚度比越小，其高温后的承载力损失越明显。 （4）基于试验及VULCAN程序分析软件，进行了多种端部约束工况的钢筋混凝土梁局部高温下升降温全过程的热结构耦合数值分析。研究结论表明，整个升降温全过程中梁端约束具有时变特性，梁的竖向、轴向及转角位移、梁端弯矩及轴力等同样具有时变响应特性，可为梁高温下的响应评估提供参考。 （5）基于VULCAN程序分析软件，进行了多种端部约束工况的钢筋混凝土框架结构高温下升降温全过程的热结构耦合数值分析。研究表明，框架结构高温下梁的竖向、轴向及转角位移具有更明显的时变特性响应；而梁端弯矩及轴力响应小于局部高温工况，可为框架结构高温的安全性评价提供参考。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题来源和研究意义

1.2.1 钢筋混凝土非约束构件的耐火性能

1.2.2 钢筋混凝土约束构件的耐火性能

1.2.3 钢筋混凝土框架结构的耐火性能

1.3 目前存在问题

1.4 本文研究内容

2 约束钢筋混凝土梁常温下承载力试验研究

2.1 引言

2.2.1 试件设计

2.2.2 试验装置

2.2.3 测点布置

2.2.4 加载方案

2.3.1 试验过程

2.3.2 试验现象

2.4.1 约束钢筋混凝土梁位移分析

2.4.2 约束钢筋混凝土梁应变分析

2.5 本章小结

3 钢筋混凝土梁端部约束的时变特性及其响应试验研究

3.1 引言

3.2.1 试验装置

3.2.2 测量方案

3.2.3 加载方案

3.3.1 试验过程

3.3.2 试验现象

3.4 结果分析

3.4.1 混凝土梁截面温度场分析

3.4.2 梁变形分析

3.4.3 钢筋应变分析

3.5 本章小结

4 约束钢筋混凝土梁剩余承载力试验研究

4.1 引言

4.2 试验概况

4.2.1 试验装置

4.2.2 测点布置

4.2.3 加载方案

4.3.1 试验过程

4.3.2 试验现象

4.4.1 约束钢筋混凝土梁位移分析

4.4.2 约束钢筋混凝土梁应变分析

4.5 本章小结

5 局部高温下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性及其结构响应

5.1 引言

5.2 高温下钢筋和混凝土热工参数研究

5.2.1 钢筋热工参数

5.2.2 混凝土热工参数

5.3 高温下钢筋和混凝土力学性能研究

5.3.1 钢筋高温力学性能

5.3.2 混凝土高温力学性能

5.4 VULCAN程序简介

5.5 局部高温下约束钢筋混凝土梁参数选取

5.6 局部高温下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性模型

5.7 局部高温下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性数值模拟

5.7.1 VULCAN截面温度场分析

5.7.2 VULCAN结构分析

5.8 本章小结

6 框架结构高温下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性及其结构响应

6.1 引言

6.2 框架结构高温下约束钢筋混凝土梁参数选取

6.3 框架结构高温下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性模型

6.4 框架结构高温下钢筋混凝土梁端部约束的时变特性数值模拟

6.4.1 VULCAN截面温度场分析

6.4.2 VULCAN结构分析

6.5 框架结构火灾与局部高温下结构响应对比分析

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

作者简历

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