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工程结构
钢筋混凝土梁的剩余承载力评价方法
摘要：
本文提出一种方法来评估火灾暴露后的钢筋混凝土剩余RC梁。捕捉RC梁响应的方法包括三个阶段,即结构响应在环境条件、在暴露于火的形变场响应和火灾后剩余梁冷却后的响应。不同的钢筋和混凝土的材料特性在加热和冷却阶段暴露于火和残余冷却后阶段分析。此外,相关的负载级别,具体的火灾场景,边界条件,和塑料变形对暴露于火的梁也纳入评估剩余的反应。该方法实现使用一个详细的数值模型在有限元计算机程序有限元分析。数值模型的预测显示相关良好的响应参数测量实验评估火暴露后的剩余容量钢筋混凝土梁。同时,预测的剩余容量有限元分析进行了比较和获得简化基于温度考虑最大钢筋的截面分析。这种比较表明,有限元分析收益率更现实的预测剩余容量且预测从截面简化分析。拟议的适用性方法在评估火暴露剩余容量通过一个案例研究钢筋混凝土梁。
- 介绍
加强混凝土(RC)构件一般展现良好的耐火性，由于相对较低的热导率,热容量高,温度使其力学性能退化慢。然而,在暴露于火,RC成员经历的强度和刚度的损失增加了钢筋和混凝土的温度。暴露于严重的火灾,RC梁可能经历混凝土后，重要结构性破坏造成的损失和由于可能的火灾引起的剥落,钢筋的温度升高使其具有非常有限的和相对较大的永久变形剩余负荷能力。另外,温和火灾场景可能不会导致明显的变形或损失而使混凝土部分剥落。在这样的场景中,损失的能力在钢筋凝土构件由于暴露于火可能不是重要的。然而,一场火灾过后建筑(或结构)不能立即进行收复,即使火完全熄灭,也要等到RC梁的负荷能力确定才能进行。从火灾引起的剥落和重大损失横截面,可见损伤的迹象,结构恶化使钢筋混凝土构件由于温度引起的退化力学性能和内部应力再分配,可能不是太明显。因此,它必须确定通过合理的结构成员的剩余容量工程的方法促进或发展火暴露的混凝土建筑改造措施。强度和刚度退化程度的火灾暴混凝土构件是依赖于许多因素,包括类型的暴露于火,混凝土和钢筋的性质,负载级别和边界条件(支持)。许多这样的因素是相互依存和在不同上可以有很大的不同场景。因此,剩余强度评价火灾暴露RC成员是非常复杂和计算能力可以有所不同广泛取决于假设用于分析。
在实验室环境用一种方法来评估剩余RC梁通过破坏性火灾测试的能力。这样的剩余容量测试，过去研究人员已经进行了,这让RC梁组成的预定时间标准或参数火灾,然后加载梁失败后冷却至室温,如果没有失败发生在暴露于火。常见的观察从这些测试包括推断意义重大在这些成员和剩余负荷能力依然剩余容量的程度随火灾的持续时间接触和峰值温度钢筋。
研究者提出无损或数值方法评估RC梁暴露于火后剩余作用容量。这些方法可以大致归类分为两类,即简化横断面分析和详细的有限元分析。在第一种方法中,强度方程的修改利用室温伴随着强度降低基于高温暴露因素进行评估。
许和林[6]提出一个简化的截面的方法评估火灾过后RC梁的残余强度。这种方法涉及关键截面划分成很多条然后沿着每条通过有限差分计算温度的方法。了解整个横截面的温度钢筋和混凝土的关系,火灾暴露后的混凝土梁的剩余产能评估通过应变兼容性进行分析。他们得出的结论是,这种方法可以应用于计算火灾后的抗剪强度和RC梁的弹性模量。同时发现,RC梁退化的速度能力,抗剪强
度弹性模量是不同的。
Kodur等[7]提出了一个简化的方法来评估经历了一场大火后残余弯曲梁的能力，该方法基于钢筋峰值温度的能力期间。作为这个方法的一部分,一个经验方程,提出了预测暴露于火后的最大的钢筋温度指定参数。知道达到最高温度时钢筋的剩余容量是计算使用室温的修改版本强度设计方程[9]的时间,但应考虑到剩余钢筋的属性。结果表明,提出的方法给出了保守的预测剩余的时刻火灾受损的RC梁的能力。钢筋峰值温度确定为在暴露于火中确定损伤的程度持续的关键参数。
在一个更近期的研究中,通过白和王[8]的研究,使用ANSYS软件[10]进行最大温度在整个截面的评估。在这种方法中,不是假设退化的混凝土或钢筋强度随着温度增加而增强,混凝土和钢筋的原始部分减少同等部分占由于火灾损失后剩余容量RC梁的评估。在此基础上研究推断,由于暴露于火能力，混凝土或钢强度微不足道的影响降解的速度。
在第二种方法中,研究人员利用有限元模型跟踪火灾后钢筋混凝土梁的反应。Ozˇ螺栓等。[11]提出了瞬态三维形变有限元模型来模拟钢筋混凝土的行为。
通过比较预测对从火后生成的测试数据残余强度测试[2]。承载力和暴露于火后的梁的初始刚度的增加持续时间减少。此外,它是发现在降温至室温,导致额外的由于热诱导菌株而伤害梁。
许和林[6]和白王[8]提出的方法的一个主要缺点,这个方法使用基于单独加热阶段即温度引起混凝土的力学性能的退化和钢筋评估。然而,这样的属性并不代表观察到的残余力学性能。同时,大部分的横断面剩余产能评估上面讨论的方法不考虑应变硬化强化效应,从而导致预计偏低时刻容量比实际值经验的15 - 25%在现实实践[7]。不可能预测火灾后剩余通过当前截面钢筋混凝土梁的变形方法。最后,提出的模型Ozˇ螺栓等。[11]在加热和不同的材料特性冷却(衰减)阶段。此外,主要焦点研究是在高温下钢筋混凝土梁的研究行为而不是评价火灾后剩余RC梁的能力。
克服上述的缺点,提出了一种方法预测火暴露后钢筋混凝土梁剩余容量和残余变形量的。当前方法的新颖性是在考虑不同材料强化的属性钢铁和混凝土在加热和冷却阶段暴露于火之后和残余冷却后的阶段,以及在公司钢筋混凝土的塑性变形发生在暴露于火梁在火灾后响应分析。该方法是通过详细的数值模型实现基于有限元的计算机程序有限元分析[14]。该模型验证了通过比较预测与实验数据对钢筋混凝土梁中产生残余强度测试[2,3]。最后,应用数值模型来评估火灾后剩余响应火灾暴露简支、放纵的矩形钢筋混凝土梁。
- 评估火灾后剩余容量的方法
结构损伤程度的火灾暴露RC梁受到许多因素的影响包括负载水平,支持条件下,混凝土和钢筋的火属性暴露场景[7]。评估火灾后剩余的反应RC梁,三个阶段的分析需要所有这些参数。
2.1一般程序
这三个阶段的分析来评估剩余容量火暴露RC成员组成、评估能力的房间温度之前暴露于火(阶段1),耐火分析在暴露于火(阶段2)最后,火灾后残留分析冷却后的成员(阶段3)。一个流程图 图1说明了各个步骤所需评估残留火灾暴露RC梁的力量。这个分析过程可以实现使用任何基于有限元的包,等有限元分析[14]。
图1所示。流程图说明所涉及的三个阶段剩余容量分析。
在阶段1中,室温下RC梁的能力评估通过详细的有限元分析逐渐递增结构上的负载到发生故障。另外,使用指定的极限容量也可以估计强度方程设计标准[9]。房间的温度能力决定第一阶段是用来评估相对负载水平前梁在第二阶段暴露于火。此外,容量计算在第一阶段被用来估计的程度降解能力一旦剩余容量确定在第三阶段。应该注意的是,这个阶段的分析,房间温度的混凝土和钢筋的力学性能利用钢。
在第二阶段的分析,评估钢筋混凝土梁的响应在给定的暴露于火情况下进行、负载水平和边界条件。现实的负载存在在一个典型的火事件前梁上应用形变场的分析。整个的时间-温度曲线持续暴露于火可以近似使用电脑通过参数模型或经验曲线[15]。这个阶段分析在不同时间进行增量,直到失败梁或到暴露于火消退。响应参数从热结构分析是被利用的每个时间增量检查RC梁的状态不同故障下极限状态。在这个阶段,温度相关的混凝土和热物性参数和力学性能钢筋,在加热和冷却是不同的暴露于火的阶段,要输入有限元分析[14]。
冷却后的梁,如果没有失败梁的第二阶段,第三阶段的分析就出去了。温度诱导残余应力和压力存在在暴露于火后的梁的形式残留很明显变形观测当没有负载作用在梁上。这些残余变形损伤积累的结果由于加热引起的梁,结构参数和材料属性。这种状态下的梁的初始状态进行第三阶段的分析。在这个阶段的分析,对冷却下来RC梁加载增量到失败和结构梁的响应跟踪。剩余容量对应之前的最大负载梁可以携带失败。对于这个分析、残余混凝土和钢筋的属性是必需严格控制的。
2.2分析参数的选择
RC梁的火灾后剩余能力容量取决于负载水平。在暴露于火的场景中,结构参数和材料特征在火后和冷却后[7]的改变。在更高的负载级别和严重暴露于火条件下,混凝土梁可能从剥落而导致的横截面承受重大损失,导致剩余很少的剩余容量。然而,如果没有(可见的)损失造成的截面剥落的迹象,火灾过后的RC梁可能只经历了边际损失能力。在这些情况下火灾后剩余容量评估可能需要暴露的钢筋混凝土梁和重用火灾暴露结构的数据。
混凝土和钢筋的火灾后剩余的属性受到最大温度经历的影响,时间允许恢复后,以及用于淬火火降温的方法。剩余抗压混凝土强度经历的温度220摄氏度或更高版本可以减少高达20%的原始室温强度后立即冷却[16]。然而,它也报告说,在室温下有足够的恢复时间,混凝土可以恢复原来的100%室温抗压强度[17]。最近的调查[18]表明,“短期内”或“临时阶段”在混凝土的抗压强度不恢复可以持续到三年后。这一阶段后,在那里在混凝土强度明显复苏。这被称为长期的暴露于火后钢筋混凝土结构的响应。冷却方法(风冷等）没有影响在火灾后混凝土的抗压强度一样显著对破坏应变和弹性模量[19]。如果它是在空气中冷却，激烈的混凝土通常由淬火冷却达到更高的压缩应变比它会失败。火灾后混凝土的破坏应变比原来的室温值曝光温度高达220 C[20]的应变没有显著改变。
一般来说,在剩余RC梁的抗弯能力中混凝土的残余强度影响较小。这是由于混凝土强度的逐渐丧失使温度增加，达到更远的混凝土的抗压层的结合温度较低。混凝土、钢筋的剩余强度钢显著影响暴露于火钢筋混凝土的抗弯能力束后。这主要是由于钢筋位于火暴露面附近,不仅实现了更高的温度,而且由于钢经历着急速的强度退化与温度，而退化的速度在混凝土的强度与温度可能比钢筋混凝土略大在某些情况下,总体温度达到比钢筋混凝土梁从下面暴露于火积极弯曲时相对较低。因此,火灾后钢筋混凝土梁的剩余容量及钢筋的剩余强度评估是至关重要的。
钢筋的剩余强度主要取决于达到钢筋的最大温度。提供热轧钢筋的温度不超过500 C,钢筋将恢复最初的约100%室温屈服强度再冷却[13]。然而,当加热到500度以上,钢筋只恢复一部分最初的力量。极限强度和屈服强度之间的比率在室温下约1.5,随温度增加,800 c变为1左右。这表明,应变强化在非常高的温度[21]下变得不那么突出。
因此,火灾场景的选择和强度的恢复假定在火灾后钢筋接触是至关重要要考虑的因素,对于评估火灾暴露钢筋混凝土梁剩余容量。
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- 失败的标准
失败的标准根据适用的破坏极限状态应用在每个阶段的分析。在第一阶段的分析(在环境条件)，暴露于火前的评估能力的光束,强度极限状态一般控制不了而失败。在第二阶段的分析(在暴露于火),一个RC梁在高温和暴露于火的经历中由于强度和刚度的退化混凝土和钢筋的属性会发生跨变位。评估暴露于火中的构件除了强度标准,挠度极限状态是一个可靠的性能指标。因此,[22]当梁产生屈服时
--梁的最大挠度超过20(mm)在任何时间暴露于火条件下,或者
--挠度超过L2/9000d的速度(毫米/分钟)。
L =跨度的梁(毫米)和d =有效梁的深度(毫米)。
这里需要注意的是,提到的偏转下极限状态为孤立的RC梁开发测试标准在实验室中的条件,因此可能不适用在现实的加载和梁所处的一般火灾场景。然而,从上面获得的基于挠度极限的大多数实际饱和度是保守的。
评估剩余容量曝光后,在第三阶段(后冷却梁)的强度和残余变形量的程度一般无法管理和控制而导致失败。
- 有限元模型的发展
上述方法适用于评估暴露于火灾的RC梁的剩余能力。一个针对反应梁的有限元模型评估说明在下面阶段1、2和3中。
3.1一般的
使用有限元分析进行了电脑程序ABAQUS[14]。混凝土的本结构模型钢框架中定义的软件包和火灾暴露RC梁的建模是按顺序热力耦合进行使用分析程序。在这个过程,利用力学分析的结果(温度)产生了传热分析,但没有依赖扭转的存在。
在第一阶段的分析中,在设计标准室温RC梁的能力时，决定使用详细的有限元分析或强度方程[9]。在阶段2中,在暴露于火光束受到到指定的负载级别的百分比梁的极限容量(基于估计的负载在暴露于火)和一个现实的时间-温度曲线生成的[15]。暴露于火RC梁的响应在第二阶段跟踪通过两套离散化模型,进行热分析和其他工程机械(强度)的分析。结果热分析应用结构模型,沿着RC梁均匀分布。温度依赖热,在分析时应该将混凝土与钢筋的力学性能结合起来。应用相关的承载极限状态的承载能力进行评估在2.2节中讨论过。火暴露RC梁的残余承载梁冷却后是由进行第三阶段评估的能力分析,通过加载梁,继续增量,直到失败是获得数据的有效方法。
应该注意的是,梁的每一步分析这个问题可以分为历史连续的步骤与响应状态(即应力,有限元分析压力和温度)。这使响应参数可以被转移到第二阶段、第三阶段的分析中。
3.2模型的假设
以下是假设的发展数学模型:
--不认为钢筋之间发生粘结滑移,是完美的总应变强化等于混凝土。压缩带的假设是很准确的混凝土未出现裂纹。相反,裂缝发生在拉伸区域导致弱点混凝土和钢筋滑动。然而,在包括几个裂缝的长度(梁段)之中,平均应变强化混凝土是大概相等的[23]。
--火灾引起的剥落并没有显示于建模分析，表明当前的模
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