火災(zāi)作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析.pdf

1、結(jié)構(gòu)抗火是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域里的一個重要難題。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能雖然優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)，但同樣面臨抗火問題研究。由于試驗(yàn)設(shè)備和火災(zāi)試驗(yàn)本身極其昂貴，利用有限元計算軟件來模擬鋼筋混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的非線性反應(yīng)變得越來越重要。本文在系統(tǒng)分析和總結(jié)目前國內(nèi)外火災(zāi)工程研究概況的基礎(chǔ)上，對火災(zāi)作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性有限元分析。其主要內(nèi)容分為以下幾個部分：
　　 1.歸納總結(jié)了國內(nèi)外鋼筋和混凝土的高溫材料性能的研究成果，包括鋼筋、

2、混凝土的熱工性能參數(shù)及熱力學(xué)性能參數(shù)。二者的熱工性能參數(shù)和熱力學(xué)性能參數(shù)是研究高溫下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要前提。
　　 2.基于有限元-差分混合方法的數(shù)學(xué)模型，編制了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度場分析程序，計算結(jié)果與現(xiàn)有的國內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。試驗(yàn)和理論分析比較表明本文采用的理論和編制的程序是合理的。
　　 3.考慮到建模需要，簡要介紹了本構(gòu)模型應(yīng)滿足的基本力學(xué)原理。然后推導(dǎo)出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的高溫本構(gòu)模型的基本公

3、式，給出了建立鋼筋和混凝土高溫本構(gòu)模型應(yīng)遵循的基本步驟。針對鋼筋和混凝土高溫彈塑性本構(gòu)模型，基于后退歐拉法建立了彈性預(yù)測-塑性修正的數(shù)值求解方法，提高了等效塑性應(yīng)變和塑性變形的計算效率?；谏鲜霰緲?gòu)模型和數(shù)值算法，編制了相應(yīng)的非線性分析程序，并對已有的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了本構(gòu)模型和數(shù)值算法的有效性。
　　 4.給出了一種計算高溫下鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件極限承載力的簡化計算方法，計算中考慮了高溫下結(jié)構(gòu)的材料性能、力學(xué)性能和穩(wěn)

4、定性退化以及側(cè)向撓度的影響。通過此方法能夠比較準(zhǔn)確地計算出不同溫度下鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件的極限承載力，計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上，以四面受火鋼筋混凝土方形柱為例，對極限承載力的各個影響因素進(jìn)行了分析，得出配筋率、鋼筋屈服強(qiáng)度對極限承載力影響不大，而混凝土保護(hù)層厚度、混凝土受壓強(qiáng)度和截面尺寸則是影響極限承載力的主要因素。
　　 5.根據(jù)材料在不同溫度的本構(gòu)模型，對考慮薄膜應(yīng)力效應(yīng)的鋼筋混凝土板的極限承載力進(jìn)行了分析。通過

5、分析板塊中面的平衡方程及位移協(xié)調(diào)方程，建立了由板位移和Airy應(yīng)力函數(shù)表示的兩個微分控制方程。基于能量原理，采用二重Fourier級數(shù)解推導(dǎo)了火災(zāi)作用下樓板的位移、薄膜應(yīng)力、應(yīng)變以及板極限承載力的表達(dá)式。所得的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，同時為考慮薄膜效應(yīng)時樓板的抗火設(shè)計提供了參考。
　　 6.推導(dǎo)出材料在大變形條件下的熱彈塑性本構(gòu)模型，采用梁-柱單元劃分和荷載增量法對鋼筋混凝土連續(xù)梁的抗火性能進(jìn)行了非線性分析。通過計算火災(zāi)作用