浅论火灾后混凝土构件损伤评估的试验及理论研究

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1、Y1031922申请同济大学工学博士学位论文火灾后混凝土构件损伤评估的试验及理论研究(国家自然科学基金项目编号：50578126)培养单位：土木工程学院一级学科：土木工程二级学科：结构工程研究生：余江滔指导教师：陆洲导教授二oo七年二月摘要火灾后建筑物的受力性能不可避免地会受到影响。由于影响受火后混凝土构件力学性能的因素众多，且损伤有沿深度方向变化的特点，对其进行评估是一个关系重大又难度甚高的任务。一个可信的损伤评估必须能准确地推定构件曾经的受火状况(火场升温曲线)、深度方向上混凝土材性的变化以及构件的残余承载力。这就要求对混凝土的材性影响因素、损伤

2、检测方法和构件承载力的计算方法进行充分的研究。目前，还没有一种方法能直接从力学性能的角度检测混凝土的损伤沿受火深度上的变化，也没有一种能定量地推定受火状况的算法。此外，以往的研究中，受火后构件试验往往以简支构件为对象，同实际情况有一定的差距，且难以反映混凝土材性变化对构件承载力的影响。为此，本文进行了如下工作：1．研究最高温度和恒温时间两种因素对混凝土性能的耦合影响。进行混凝土试块在21种不同温度和恒温时间组合下的试验。试验结果包括抗压强度、劈拉强度、弹性模量、应力一应变曲线、烧失量、浸泡增重等，并在此基础上进行经验公式的拟合；2．进行“逐层深入法”

3、的基础研究。研究包括两类试验：第一类试验是对混凝土切片进行32种不同温度和恒温时间组合的处理，然后劈拉试验得出温一时耦合影响下混凝土的强度变化。第二类试验进行试块的单面受火试验，在30’200min的受火时间范围内进行7组试验，记录试块内部的温度变化，然后进行“逐层深入”的切片并完成劈拉强度试验，揭示不同的受火状况下混凝土深度方向的损伤变化规律；3．结合统计理论(weibull分布)和损伤力学的原理建立受火后混凝土受拉的破坏模型，理论上推导混凝土受拉破坏的应力一应变关系。更重要的是，引入轴压作用下混凝土微裂缝闭合的随机分布(同样是wiebull分布)

4、，并结合受拉损伤的原理，通过计算两种分布的交互作用，从理论上推导混凝土的轴向受压应力一应变关系。采用Matlab进行了编程(PUSSCF)进行数值求解。通过理论推导而不是经验公式拟合的方式来计算受火后混凝土的应力一应变关系，并成功地解释了混凝土受火损伤本构关系中的三大特征，可以说是一种全新的尝试。4．进行了4块足尺混凝土两跨连续板(5200X1200X120哪)的受火和承载摘要力试验。一块常温板静载试验作为对照。采取IS0834标准升温曲线分别对三块板进行了50、70、100分钟的加温，冷却后进行板的静载试验。受火试验结果包括高温作用下板的挠曲变形、

5、支反力的变化以及板内温度分布的测量；静载试验结果包括荷载作用下连续板各点的挠度、混凝土和钢筋材料的应变以及板的极限承载力等；5．基于“逐层深入法”的原则编写Matlab程序EFDC。程序完成了如下几个工作：1)对沿深度方向取得的数据进行曲线(简称损伤曲线)拟合；2)对应损伤曲线上的某一点数值，通过论文中第3章中建立的最高温度一持续时间同劈拉强度之间的关系来初步反算此点可能经历的温度和恒温时间的范围，然后反推外部的火灾温度的大概范围；3)建立混凝土的热传导的微分方程。以第2)项中的火灾温度曲线的范围上取小步长不同的值作为微分方程的初始条件，采用分步长(

6、分层)的有限差分法求解微分方程，得出不同时间、不同深度的温度分布曲线；4)以火灾温度(温度曲线)为初始条件的混凝土内部温度场，通过第3章中建立的温一时同劈拉强度之间的关系求不同深度上的残余劈拉强度作为试算值；5)将各种初始条件的试算残余强度同损伤曲线进行误差分析，取其中最小误差对应的初始条件作为最终求得的火灾温度曲线，并由此得出整个构件范围内的受损情况；将第3章和第5章的试验数据代入程序中计算，将结果同实测的热电偶温度进行对比，验证了这一程序的有效性。6．按照“逐层深入法”的检测结果，运用Ansys软件在深度上“逐层不同”地设定材料不同的应力一应变关

7、系，并依照试验的边界条件建立有限元模型，模拟试验(现实)中板在荷载的作用下的挠曲变形、混凝土和钢筋的应变以及板的极限承载力等。通过与实测值的对比，验证了这一模型的有效性。最后，对本文的内容进行了总结，并对今后进一步研究方向做出建议和展望。关键词：温一时耦合影响，逐层深入法，wcibull分布，裂缝闭合，温度场模型，混凝土连续板，残余承载力，受火损伤评估ⅡAbstractABSTRACTn地bearingcapacityofconcreteslrueturewillbeinevitablyaffectedaiderfire．Sincetheresidu

8、alstrengthofconcreterelatestovariousfactorsandthedamag