约束作用下混凝土双向板抗火性能试验研究和理论分析

为了深入研究面内约束作用下混凝土板火灾行为，本项目开展约束作用下混凝土双向板火灾试验、数值模拟和理论分析。 试验方面：通过十块不同面内约束工况混凝土双向板火灾试验，获得炉温、混凝土和钢筋温度、板平面外（内）变形、板角（平面内）约束力等随时间变化规律，观测了试验中混凝土板裂缝及破坏特征。 研究表明，由于板角约束作用，简支板及单（双）向面内约束板均出现板角弧形斜裂缝；与火灾下简支板不同，单（双）向面内约束板板顶均易出现通长裂缝，且单（双）向约束作用倾向于增加试验板竖向变形，原因在于约束作用引起的P-δ效应。 数值方面：根据热弹塑性理论和板壳单元，考虑面内约束作用和含水率影响，建立了混凝土双向板数值模型，发展程序对面内约束混凝土试验板进行数值分析，获得了几何(非)线性和混凝土膨胀应变对约束试验板变形、弯矩分布和薄膜机理影响规律。此外，通过参数分析研究了约束类型、约束水平、长宽比、配筋率和板厚等对面内约束混凝土板温度场、变形、破坏模式和耐火极限等影响。研究表明，对任一约束工况，较大混凝土膨胀应变导致约束板较大变形，且几何非线性影响不可忽略；面内约束作用倾向于降低跨中弯矩和增大板边负弯矩，且不利于板大变形阶段受拉薄膜效应发展；约束板火灾行为取决于约束类型、约束水平和长宽比等相互作用。 理论方面：基于塑性铰线理论，考虑受拉薄膜效应，提出钢筋应变差概念和应变破坏准则，结合板块内力平衡方程，建立常温及火灾下面内约束混凝土双向板承载力计算方法。研究表明：钢筋应变差理论所得薄膜效应阶段混凝土双向板荷载-位移曲线较为合理，且能够确定混凝土双向板极限状态及相关参数。 本项目研究成果可为实际工程中提高混凝土双向板抗火性能提供参考。 2100433B

本项目拟利用试验炉，对面内约束作用下钢筋混凝土双向板进行火灾试验；试验时测量沿板厚方向混凝土和钢筋温度，以及板的平面外和平面内变形；同时，考察试验过程混凝土板裂缝及破坏特征，与已有受火简支板的破坏特征进行对比。. 根据热弹塑性理论和板壳单元，考虑面内约束作用的影响,建立混凝土双向板数值模型；发展相应的计算程序，结合试验结果，验证计算模型及程序的有效性；利用程序，分析主要参数（跨厚比、配筋率和面内约束作用等）对混凝土双向板火灾行为的影响规律。此外，基于修正板块平衡法，同样考虑面内约束作用，建立火灾下混凝土双向板的极限承载力计算方法，并将计算结果和试验结果进行对比。

在热工指标和受拉力学性能指标试验测定的基础上，对高性能混凝土剪力墙结构在持荷状态下的火灾反应和抗火性能进行试验研究。在适用于高温下高性能混凝土剪力墙内数字温度场建立后，进行基于损伤力学的非线性有限元理论分析。最后对火灾损伤后高性能混凝土剪力墙的抗震性能进行试验研究。 2100433B

采用试验与理论研究方法，对局部火灾下受约束钢柱的受力性能、破坏准则、高等分析方法、及屈曲温度和破坏温度的简化计算方法进行了研究。进行了三组共9根足尺受约束钢柱抗火性能试验，研究参数包括约束刚度比和截面温度梯度等。试验采用标准火灾升温，量测了受约束钢柱的温度分布，轴力发展，轴向变形，挠度变形和钢柱扭转变形等，为理论的验证提供了试验依据。建立了受约束钢柱受力分析有限元模型，利用本项目试验及国内外其他试验资料，对单元类型，单元网格尺寸，材料模型，求解方法等对计算结果的影响。依据有限元模型，对局部火灾下考虑截面温度分布情况的钢柱进行了参数分析，研究参数包括：受约束钢柱的荷载比，约束刚度比，长细比，温度分布情况等对钢柱屈曲温度和破坏温度的影响，以及对受约束钢柱弯扭屈曲性能的影响。依据大变形状态下梁柱弯曲理论，建立了受约束钢梁在火灾下的理论分析模型，以节点转角和弧线坐标作为基本参数，并考虑截面温度分布情况，求解钢梁在火灾升温全过程下的轴力发展，轴向变形，挠度变形和钢柱扭转变形等。在试验研究、理论分析和有限元参数模拟的基础上，建立了受约束钢柱在升温下屈曲温度和临界温度的简化计算方法。建立了更准确可靠的钢柱抗火分析理论。 在上述研究的基础上，发表论文16篇，出版专著1部，申报国家专利2项。培养硕士研究生4名，其中1名已毕业，另3名将与2014年6月毕业。 2100433B

研究不同受火时间后约束钢筋混凝土梁、柱构件的抗剪性能，揭示受火时间、构件端部约束、荷载比等因素对全过程火灾作用后钢筋混凝土构件抗剪性能的影响特点。建立火灾后约束钢筋混凝土构件抗剪性能的数值分析模型,并开发相应的全过程分析程序。分析总结高温下相邻构件之间的相互作用对高温后钢筋混凝土构件抗剪性能的影响规律，建立火灾后约束钢筋混凝土梁、柱构件残余抗剪承载力的实用计算方法。在考虑高温下内力重分布过程对构件损伤作用的情况下，研究并提出火灾后钢筋混凝土结构内力(含轴力、弯矩和剪力)的简化计算方法。针对高温下结构中构件受到相邻构件的约束会影响其高温后力学性能的特点，本项目可以填补火灾后约束钢筋混凝土构件抗剪性能研究的空白，为火灾后钢筋混凝土结构损伤评定、抗剪加固奠定基础，为相关规范的编制提供科学依据，因而具有重要的理论意义和明确的应用前景。