钢筋混凝土轴心受压圆柱火灾行为及尺寸效应研究

作     者：万莹 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张海燕

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：钢筋混凝土圆柱 缩尺模型 耐火性能 尺寸效应 相似关系 

摘      要：随着建筑向大跨、超高层的方向发展,大尺寸构件甚至巨型构件越来越常见,但受耐火试验炉尺寸限制,对此类混凝土构件开展足尺明火试验存在很大困难,而有限元分析结果的准确性也因为缺乏试验数据难以进行验证。因此,开展缩尺模型明火试验,利用缩尺模型构件的试验结果来预测足尺原型构件的耐火性能,是了解大尺寸构件耐火性能的必要途径。缩尺模型试验一般建立在相似理论的基础上,通过建立模型和原型之间的相似关系,才能由模型的试验结果预测原型的性能。然而,混凝土力学性能在高温下存在尺寸效应,导致模型构件与足尺原型构件火灾行为难以相似,开展不同比例钢筋混凝土构件的火灾行为及尺寸效应的研究有助于缩尺模型与足尺原型耐火极限映射关系的建立。本文采用明火试验与有限元分析相结合的方法,对不同比例钢筋混凝土圆柱的火灾行为及尺寸效应进行探究,论文的主要研究内容及结论如下:1、开展了3种不同比例(0.5、0.7和1.0比例)钢筋混凝土圆柱在ISO 834标准升温曲线下的耐火试验,考察了轴压比与体积配箍率对钢筋混凝土圆柱火灾行为尺寸效应的影响。结果表明:(1)轴压比较大情况下,普通钢筋混凝土圆柱在火灾下也可能发生严重的混凝土爆裂,且截面尺寸越大,爆裂越严重,对耐火极限影响也越大;(2)减小箍筋间距不一定对钢筋混凝土圆柱的耐火性能有利,可能使得混凝土的爆裂更严重,从而降低钢筋混凝土柱的耐火极限;(3)在轴压比较小(如0.3),混凝土未发生明显爆裂的情况下,以s(s为模型与原型的几何尺寸比例)为受火时间的相似关系,不同比例钢筋混凝土圆柱的截面平均温度和轴向变形随受火时间的发展以及耐火极限的相似性较好。2、开展了不同比例钢筋混凝土圆柱耐火性能有限元分析,考察了不同比例钢筋混凝土圆柱对网格尺寸和剪胀角选取的敏感性,结果表明:(1)随着计算网格尺寸的增大,柱受火前期的膨胀段持续时间越长,膨胀变形越明显,但后期截面承载力下降以及变形发展速率越快,使得有限元计算得到的柱耐火极限越短;(2)当模型柱选择合适的计算网格尺寸获得与试验结果吻合较好的计算结果时,原型柱选择相同比例的网格大小(即原型与模型网格划分数量相同),可获得与试验结果吻合较好的计算结果,这是因为大比例柱采用较大的网格尺寸,能在一定程度上反映尺寸效应造成的大比例柱高温承载力较低的影响;(3)随剪胀角增大,柱耐火极限也增大,且柱的尺寸越大,剪胀角的影响越明显。通过采用试验结果进行校准,本文0.5比例、0.7比例及1.0比例柱的有限元模型中剪胀角分别选取45°、30°和20°较为合适。3、利用已校验的有限元模型对钢筋混凝土圆柱的耐火性能开展了参数分析,考察了截面尺寸、轴压比、纵筋配筋率以及升温曲线对圆柱耐火极限的影响,探讨了受火时间s的相似关系以及《广东省建筑混凝土结构耐火设计技术规程》中关于钢筋混凝土矩形柱耐火极限预测公式对于圆柱的适用性。结果表明:(1)受火时间s的相似关系仅适用于模型柱与原型柱比例相差较小,柱的轴压比较小(如不超过0.4)、ISO 834或ASTM 119标准升温的情况;在原型与模型柱比例相差较大(如超过3倍)、柱轴压比超过0.45、缓慢升温等情形下,采用模型柱的实测耐火极限以及s的相似关系来预测原型柱的耐火极限偏于不安全;(2)广东省耐火规程中的钢筋混凝土矩形柱耐火极限计算公式适用于轴压比小于0.45的钢筋混凝土圆柱耐火极限预测。