钢筋混凝土结构抗火性能的有限元分析与研究

发布时间：2017-06-26 03:08

  本文关键词：钢筋混凝土结构抗火性能的有限元分析与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钢筋混凝土结构在其寿命周期内,可能面临火灾的威胁,建筑火灾每年造成了巨大的经济损失和人员伤亡。钢筋混凝土结构及构件的高温性能研究是进行建筑结构抗火设计及火灾后结构修复加固与损伤评估的基础,其中,火灾下结构内部的温度分布及整体结构的高温力学反应变化剧烈而复杂,其影响因素众多,各研究成果存在较大的离散性。长期以来,火灾研究人员对结构抗火这一结构工程领域里的重要难题进行了深入的研究,由于火灾试验周期长、费用高、操作困难,使得运用数值模拟软件分析钢筋混凝土结构及构件的高温性能变得尤为重要。本文在前人的理论与试验研究基础上,以有限元分析软件ABAQUS为平台,对火灾下钢筋混凝土梁、柱及框架结构的温度场及力学性能进行研究。研究成果主要包括:(1)基于钢筋和混凝土材料的热工特性、高温应力-应变本构关系,运用ABAQUS对火灾下钢筋混凝土梁的截面温度场分布和变形规律进行数值模拟,分析了影响截面温度场的主要因素,并研究了截面尺寸、保护层厚度、跨高比、荷载比及配筋率等参数对钢筋混凝土梁高温力学性能的影响。结果表明:受火方式、骨料类型、受火时间对梁截面温度场影响显著,而截面尺寸对梁截面温度场影响相对较小,考虑含水率影响的梁截面上各点升温曲线在100℃~200℃之间出现明显拐点;截面尺寸、保护层厚度、跨高比、荷载比及配筋率等参数对梁高温极限承载力的影响均很大。(2)钢筋混凝土柱作为结构的重要承重构件,其高温下的耐火性能对整体结构的抗火性能有很大的影响。本文结合钢筋和混凝土材料的热工特性、高温应力-应变本构关系,对受火钢筋混凝土柱进行数值模拟,分析火灾下钢筋混凝土柱截面温度场的分布特性,并研究截面尺寸、配筋率、轴压比、长细比及荷载偏心率等参数对钢筋混凝土柱高温力学性能的影响,结果表明:上述各参数对高温下柱的变形和极限承载力均有显著影响。(3)建立一个单层双跨的钢筋混凝土框架模型,并运用ABAQUS对其进行热-结构耦合分析,研究不同火灾工况下,梁、柱构件及整体结构的温度场分布、变形特征和内力变化规律。结果表明:框架结构在单跨受火及双跨受火两种不同受火情况下,双跨受火梁及边柱的温度场与单跨受火时相同,而中柱及节点核心区的温度分布存在差异;节点核心区温度较周围的梁段和柱段明显偏低;受火方式及框架柱的轴压比对框架结构高温力学反应存在显著影响。
【关键词】：火灾 有限元 钢筋混凝土框架 温度场 抗火性能
【学位授予单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU375
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.1.1 火灾的破坏性与严重性11
• 1.1.2 钢筋混凝土结构高温性能及特点11-12
• 1.2 钢筋混凝土结构抗火性能的国内外研究现状12-17
• 1.2.1 火灾发展过程的研究12-13
• 1.2.2 钢筋混凝土材料高温性能的研究13-15
• 1.2.3 钢筋混凝土构件高温性能的研究15-16
• 1.2.4 钢筋混凝土结构高温性能的研究16-17
• 1.2.5 基于性能的结构抗火分析与结构抗火设计思想的研究17
• 1.3 目前混凝土结构抗火研究中存在的问题17
• 1.4 本文的主要工作17-19
• 2 高温下钢筋和混凝土的热工性能和力学性能19-31
• 2.1 混凝土的热工性能19-21
• 2.1.1 混凝土的导热系数19
• 2.1.2 混凝土的质量热容19-20
• 2.1.3 混凝土的质量密度20
• 2.1.4 混凝土的热膨胀系数20-21
• 2.2 钢筋的热工性能21-23
• 2.2.1 钢筋的导热系数22-23
• 2.2.2 钢筋的质量热容和质量密度23
• 2.2.3 钢筋的热膨胀系数23
• 2.3 混凝土的高温力学性能23-26
• 2.3.1 混凝土的高温强度23-24
• 2.3.2 混凝土的高温弹性模量24-25
• 2.3.3 高温下混凝土的应力-应变关系25
• 2.3.4 高温下混凝土的泊松比25
• 2.3.5 混凝土的短期高温徐变25-26
• 2.4 钢筋的高温力学性能26-30
• 2.4.1 钢筋的高温强度26
• 2.4.2 钢筋的高温弹性模量26-27
• 2.4.3 高温下钢筋的应力-应变关系27-28
• 2.4.4 高温下钢筋的泊松比28
• 2.4.5 钢筋的自由膨胀变形和短期高温徐变28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 火灾下钢筋混凝土构件非线性有限元分析31-56
• 3.1 引言31
• 3.2 温度场分析的理论基础31-35
• 3.2.1 火灾的标准温度-时间曲线31-32
• 3.2.2 热传导方程及定解条件32-33
• 3.2.3 材料的热工性能及非线性本构模型33-35
• 3.3 热-力耦合分析35-37
• 3.3.1 热-力耦合分析简介35-36
• 3.3.2 热-力耦合分析基本原理36-37
• 3.4 钢筋混凝土梁的抗火性能分析37-49
• 3.4.1 温度场有限元分析37-42
• 3.4.2 高温后钢筋混凝土梁力学性能分析42-49
• 3.5 钢筋混凝土柱的抗火性能分析49-54
• 3.5.1 四面受火轴心受压柱极限承载力的计算方法49-50
• 3.5.2 钢筋混凝土柱温度场分析50-51
• 3.5.3 高温后钢筋混凝土柱力学性能分析51-54
• 3.6 本章小结54-56
• 4 火灾下钢筋混凝土框架非线性有限元分析56-69
• 4.1 引言56
• 4.2 钢筋混凝土框架模型56-57
• 4.3 钢筋混凝土框架抗火性能分析57-65
• 4.3.1 钢筋混凝土框架温度场分析57-61
• 4.3.2 钢筋混凝土框架高温力学性能分析61-65
• 4.4 基于性能的结构抗火设计方法的发展与研究65-67
• 4.4.1 基于试验的结构抗火设计65
• 4.4.2 基于计算的结构抗火设计65-66
• 4.4.3 基于性能的结构抗火设计66-67
• 4.5 本章小结67-69
• 5 结论与展望69-71
• 5.1 结论69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-74
• 攻读硕士期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75

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