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预测高强度混凝土柱的耐火性能
摘要
一种计算机程序形式的数字化模型被提出来，用于跟踪暴露于火中的高性能混凝土（HPC）柱的行为。解释与热和结构分析有关的三个阶段，这些阶段用于计算柱的耐火性。一种简化的方法被提出，用来解决火灾条件下的开裂。使计算机程序跟踪HPC色谱柱从初始预加载阶段到因火灾而崩溃的响应，这种使用被演示出来。
通过将计算机程序的预测与全面耐火测试的结果进行比较，可以确定程序中使用的数值模型的有效性。在HPC色谱柱上进行的耐火实验的详细信息以及结果被介绍出来。对于任何重要参数（例如载荷，截面尺寸，纤维增强，立柱长度，混凝土强度，骨料类型和纤维增强）的值，均可使用计算机程序来预测HPC柱的耐火性。
1.简介
近年来，建筑行业对高性能混凝土 （HPC） 的使用表现出极大的兴趣。这是由于结构性能的改进，如高强度和耐久性，它可以提供与传统的正常强度混凝土 （NSC） 的比较。一般来说，压缩强度达55 MPa的混凝土称为NSC，而压缩强度超过55 MPa的混凝土则归类为高强度混凝土（HSC）。HPC 通常具有高强度、高可操作性和耐用性的特点，HSC 是 HPC 的子集。
HPC 在建筑物中的主要用途之一是钢筋混凝土 （RC） 柱。柱子构成建筑物内的主要承重构件，因此，提供适当的消防安全措施是建筑设计的主要安全要求之一。然而，大多数具体设计标准没有针对由HPC[2，3]制成的RC柱的防火设计准则。此外，一些实验室的火灾试验结果表明，在高温下，HSC和NSC的特性之间存在明确的差异[4，5]。同时，对HSC快速加热时发生爆炸开裂的发生也产生了关切，如火灾[4，6]的例子。
最近的发展，包括数字技术的发展和对材料在高温下的热和机械特性的强化知识，使得通过计算确定各种结构的耐火构件成为可能。详细的文献审查显示，虽然已经建立了计算机模型来确定 NSC 列的耐火性，但 HPC 柱的情况并非如此 [6，7]。此外，在HPC 柱[5,7]的耐火性方面，仅有可用的有限测试数据。
为了制定防火设计和HPC柱的建造指南，加拿大国家研究委员会（NRCC）和台湾国立千通大学（NCTU）开展了一个合作项目。进行了实验和理论研究，以研究HPC柱的火灾性能。
在这篇文章中，提出了一种计算机程序形式的数字化模型，用于评估HPC柱的耐火性。该模型通过简化方法解决了火灾条件下HSC的剥落。实验结果用于追踪高温下HPC混凝土柱的结构行为。通过将计算机程序的预测与全面耐火测试的结果进行比较，可以确定程序中使用的数值模型的有效性。
2.研究意义
当在建筑物中使用时，除了承载要求外，结构构件还必须设计成满足适当的耐火性要求。这些耐火性要求可以归因于以下事实：当其他控制火的措施失败时，结构完整性是最后一道防线。
通常，混凝土结构构件在火灾情况下表现出良好的性能。然而研究表明，HSC的防火性能与NSC的防火性能不同，并且在火灾中可能不会表现出良好的性能。此外，由于HSC中的低水合剂比率，在火灾条件下混凝土开裂是主要问题之一。在实验室和真实的火灾条件下已经观察到混凝土遭受火的剥落[5,6,8]。开裂会导致火灾中混凝土的快速损失，使较深的混凝土层暴露于火灾温度，从而提高热量传递到构件内层和钢筋的速率。
从理论上讲，剥落是由加热过程中孔隙压力的增加引起的[4,8]。由于与NSC相比，HSC的渗透性低，因此HSC被认为更容易受到这种压力的影响。在火中产生的极高的水蒸气压力由于HSC的高密度而无法逸出，并且该压力经常达到饱和蒸气压力。在300℃时，压力达到约8MPa。这样的内部压力通常太高，以致于不能被抗拉强度约为5 MPa的HSC混合物所抵抗[4]。来自各种研究的数据表明，总体上预测HSC的防火性能，尤其是剥落的预测非常复杂，因为它受许多因素的影响[4,5,8]。
本文介绍了用于评估HPC色谱柱耐火性的计算机程序的开发和验证。
3.实验研究
3.1测试样本
实验研究包括在15个RC柱上进行的具有不同参数的耐火性测试。在这些实验中，选择了四个HPC柱，即THC4，THC8，THS11和THP14，以详细验证计算机程序的有效性。所有柱长为3810 mm，方形截面为305 mm。 表1给出了色谱柱横截面的尺寸和其他详细信息。
这些柱的设计符合ACI规范[3]。所有的立柱都有四个25mm的纵向钢筋，这些主钢筋被焊接到端板上。这些杆用10 mm的扎带捆扎，两端的间距为75 mm，中间的间距为145 mm。 主要钢筋和扎带的额定屈服强度分别为420和280 MPa。图1显示了立柱的立面和横截面细节以及扎带的位置。
四批混凝土用于制造圆柱。将钢和聚丙烯纤维增强材料分别添加到批次3和4中。 第2批中的粗骨料是碳酸盐类型的，而其他批料是用硅质骨料制成的。THC4，THC8，THS11和THP14柱就被建造出来了。
THC4，THC8，THS11和THP14柱的湿度条件大约等于室温下与空气相对湿度分别为78％，67％，99％和85％的平衡条件。这些水分条件是在测试当天（即色谱柱制造后至少一年）进行测量的。
将0.91毫米厚的K型Chromel铝合金热电偶安装在立柱的中间高度处，以测量横截面不同位置的混凝土和钢筋温度。 参考文献中提供了有关柱设计和制造的全部详细信息。 [7]。
3.2测试仪器
通过在专门为测试着火条件下加载的柱而设计的熔炉中对柱加热来进行测试。炉子由钢架组成，钢架由四个钢柱支撑，炉膛位于框架内。测试炉的设计旨在产生温度，结构载荷和热传递等条件，构件在火灾中可能会暴露在这些条件下。 该炉的负载能力为1000吨。 参考文献中提供了有关塔式炉的特性和仪器的全部详细信息。 [9]。
3.3测试条件和程序
通过将端板用螺栓固定到顶部的装料头和底部的液压千斤顶上，将柱安装在炉中。对于所有测试，柱的最终条件都是被牢牢固定的。 对于每一列，暴露于火的长度约为3000mm。 在高温下，未加热的柱端部的刚度比柱的加热部分高，这有助于减小柱的有效长度。 在以前的研究中，发现对于固定端测试的柱，有效长度为2000 mm表示实验行为[10]。
所有柱均在同心载荷下进行测试。 根据ACI318 [3]，柱THC4承受2000 kN的载荷，等于最终载荷的54％。 THC8柱承受2000 kN的载荷或极限载荷的71％，THS11柱承受2200 kN的载荷或极限载荷的66％，THP14柱承受2200 kN的载荷或极限载荷的67％ 。 表1给出了负载强度，定义为各种柱的施加负载与柱电阻之比。
在开始进行耐火测试之前约45分钟施加载荷，并保持载荷直至达到无法测量轴向变形进一步增加的条件。选择它作为圆柱轴向变形的初始条件。 在测试过程中，将柱暴露在高温下，并进行控制，以使熔炉中的平均温度尽可能接近ASTM E119-88 [11]或CAN / ULC-S101 [12]标准温度– 时间曲线。在整个测试过程中，负载保持恒定。 当最大速度为76 mm / min的液压千斤顶不再能够承受负载时，认为色谱柱已经失效，并且测试终止。
以下各节介绍了旨在验证计算机模型的实验研究的主要结果。 在参考文献.[7].中描述了来自实验研究的详细结果，包括测得的温度和挠度。
4.数字化模型
4.1模型描述
作为该研究的一部分，开发了一个预测暴露在火中的HPC柱性能的数字化模型。 该模型中使用的数字程序类似于以前应用于NSC柱的耐火性计算的程序[13,14]。
耐火性计算分三步进行： 意思是说，计算柱暴露于其中的火的温度，计算柱中的温度，以及计算所得的变形和强度，包括分析应力和应变分布。 在强度分析计算中，开裂的程度是通过简化方法解决的。 参考文献中给出了计算柱温度和强度的详细公式。 [13,14]。
4.2火焰温度
在数值模型中，假定柱的受火表面暴露于火热下，其温度遵循ASTM E119-88 [11]或CAN / ULC S101 [ 12]的标准。该温度过程可以通过以下表达式近似表示：时间，以小时为单位，Tf是时间s处的着火温度。
4.3柱中温度
柱温是通过有限差分法计算的[15]。 图1显示了典型RC柱的正视图和横截面详图。 柱的横截面细分为许多元素，排列成三角形网络（图2）。 元素在列内部为正方形，在列表面为三角形。 对于内部元件，将中心温度作为整个元件的代表。 对于三角形曲面元素，代表点位于每个斜边的中心。
出于对称的原因，在计算具有矩形横截面的柱中的温度分布时，只需要考虑四分之一的截面。
通过为每个元素创建热平衡来推导柱中的温度上升。 进行柱的单位长度计算。
举例来说，对于沿x轴的柱表面元素，时间tfrac14;eth;jthorn;1THORN;Dt的温度由以下表达式给出：
其中T是以C为单位的温度，q是以kg / m3为单位的密度，c是以J / kgC为单位的比热，/是水分的浓度（体积分数），Dt是时间的增量，Dn是宽度 以米为单位的网格，k是以W / mC为单位的导热系数，r是以W / m2K4为单位的Stefan-Boltzmann常数，e是发射率。 下标c，w和f分别代表混凝土，水和火。 下标m，n，（M，N）代表内部（外部边界）元素上热网络上的点。
对于柱表面上沿y轴的元素，在时间tfrac14;eth;jthorn;1THORN;Dt处的温度为：
对于混凝土中的元素，可以得出类似的表达式。 通过求解每一层的热平衡方程式，可以使用混凝土和钢筋随温度变化的热激烈特性来计算柱的温度历史记录。
考虑湿气的影响，方法是假设在每个元素中，当元素的温度达到100°C时，水分开始蒸发。在蒸发期间，所有提供给元素的热量都用于蒸发元素。 直到元素干燥为止。
4.4柱的强度
为了计算在火中柱中的应变和应力及其强度，将上述三角形网络转换为正方形网络。 在图2中，显示了该网络的四分之一截面，该截面由正方形元素组成，平行于截面的x轴和y轴布置。 其他三个四分之一部分中元素的布置是相同的。 每个元件中的温度，变形和应力由位于元件中心的温度，变形和应力表示。 每个元素中心的温度是通过平均上述三角形网络中元素的温度获得的。
对于钢筋，通过将柱子完全由混凝土组成并选择钢筋截面中心的温度作为代表钢筋温度，可以获得近似的平均钢筋温度。 耐火测试期间在各个位置进行的温度测量表明，钢筋和截面的温度差很小[13]。
混凝土元素中的应变可以表示为混凝土的热膨胀，由于压缩引起的轴向应变和由于柱弯曲引起的应变之和。 对钢筋元素进行了类似的计算。
对于任何轴向应变e和曲率1 = q，都可以计算出混凝土元素中部的应力。 根据这些应力，可以确定每个单元所承受的载荷及其对中段内力矩的贡献。 通过加上载荷和力矩，可以计算柱子承受的载荷和中段的总内部力矩。 参考文献中给出了强度计算的详细公式。 [13,14]。
柱子的耐火性是通过计算强度，即柱子在火中连续几次承受的最大载荷而得出的。
4.5开裂程度
着火条件下混凝土的开裂是HSC的主要问题之一，应在对着火的HSC柱的行为进行建模时加以考虑。 开裂是一个复杂的现象，关于开裂发生的确切机制仍存在争议[8]。
来自各种研究的数据表明，HSC中的开裂受混凝土强度，混凝土密度，荷载强度和类型，含水量，绑扎构型，耐火强度，集料类型，纤维的添加和试样尺寸的影响[8]。 为了精确地模拟开裂，需要孔隙压力与温度的关系。 然而，目前尚无此类数据。 因此，为了最小化模型的复杂性并促进计算机程序的容易使用，使用简化方法。
根据在HSC柱上进行的详细实验研究，发现当混凝土温度达到350 C以上时会发生开裂[7]。如图3所示，该图显示了在不同时间间隔的温度和开裂的开始，如在THC4柱的耐火测试中所观察到的。从图3可以看出，在大约15分钟时，靠近柱表面的温度（深度远小于19.5 mm）达到350°C，在该区域可能会发生开裂。在约30分钟时，开裂区扩展到距表面约19.5毫米。来自实验研究的数据还显示，尽管在具有直拉杆的柱的情况下，整个截面都发生开裂，但当拉杆弯曲到混凝土芯时，开裂仅发生在钢筋芯的外部[5]。此外，钢或聚丙烯纤维的存在以及混凝土中骨料的类型会影响开裂程度[7]。在混凝土中添加纤维有助于最大程度地减少HSC部分的开裂程度[8]。
基于上述观察，将以下准则纳入模型中以确定剥开裂的程度
1.当元素中的温度超过350 C时，会发生开裂。
2.开裂受到柱子采用的绑扎配置的影响。
当绑扎以常规方式弯曲时，整个横截面上都会发生开裂。
bull;当绑扎以135度弯曲到混凝土芯中时，开裂仅发生在钢筋笼外面（如图4所示）。
3.开裂的程度取决于骨料的类型，纤维增强的存在和绑扎的间距。
bull;硅质骨料HSC的开裂程度（100％）高于碳酸盐骨料HSC的开裂程度（40％）。
bull;当混凝土混合物中存在聚丙烯纤维时，不会发生开裂。
bull;HPC钢纤维柱的开裂程度约为50％。
bull;当绑扎间距为标准间距的0.7倍时，加强芯内部不会发生开裂。
bull;开裂程度还受到相对湿度的影响。 HPC柱中较高的相对湿度（90％或更高）会导致较高的开裂。
上面的指南已被并入计算机程序，用户可以根据设计参数选择开裂的程度。 针对图2中所示的网络的每个元素，检查了这些规则合集。作为说明，当温度超过350°C时，据说在该元素中发生开裂，并且该元素对强度的贡献为零<!--
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