【畢業(yè)學(xué)位論文】無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗火性能研究-防災(zāi)減災(zāi)工程

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 士學(xué)位論文 論文題目 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁 抗火性能研究 學(xué)科、專業(yè) 防 災(zāi) 減 災(zāi) 工 程 研究生姓名 唐 國(guó) 慶 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 余志武 教授 二六年五月 要 本文對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗火性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。主要內(nèi)容包括四個(gè)方面： 組成預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件材料的高溫物理力學(xué)性能、鋼筋混凝土構(gòu)件截面 溫度場(chǎng)分析、無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土量或在試驗(yàn)和高溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土量非線性有限元全過(guò)程分析。具體的研究?jī)?nèi)容如下： (1) 分析總結(jié)了混凝土材料的熱工性 能和預(yù)應(yīng)力混凝土材料高溫下的力學(xué)性能，為進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究奠定了基礎(chǔ)。 (2) 通過(guò)編制火災(zāi)下鋼筋混凝土構(gòu)件 截面溫度場(chǎng)非線性有限差分程序并結(jié)合火災(zāi)下鋼筋混凝土梁溫度場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果， 合理確定了混凝土比熱放大系數(shù)和混凝土表面換熱系數(shù)計(jì)算公式。 為進(jìn)一步深入研究火災(zāi)下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件力學(xué)性能和耐火極限創(chuàng)造了條件。 (3) 對(duì)五根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn) 行了高溫下受力性能的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)試驗(yàn)得到了無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在高溫下的變形特點(diǎn)、破壞形態(tài)以及無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力變化， 探討了高溫下預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度和加載途徑等因素對(duì)其抗火性能的影響。 同時(shí)對(duì)這五根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了高溫后的靜力試驗(yàn)， 研究了高溫后無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的宏觀表象、靜載破壞特征以及變形規(guī)律，分析了預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度和加載途徑等因素對(duì)其高溫后剩余承載力的影響。 (4) 采用混凝土和鋼筋的溫度 應(yīng)力耦合本構(gòu)模型，將無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)力與未知結(jié)點(diǎn)位移共同作為待求失量， 推導(dǎo)出了高溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁非線性有限元全 過(guò)程分析的增量有限元格式， 并編寫(xiě)了高溫下非線性有限元分析的計(jì)算機(jī)程序。 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，本文的分析理論和計(jì)算程序較為正確。 關(guān)鍵詞： 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，抗火性能，溫度場(chǎng)，非線性有限元 n of by of of of of at of of of to (1) of of of of (2) of of of of by it on of (3) of of of of At of of of of (4) of in as of is of is in 錄 第一章 緒論 . 1 言 . 1 凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的目的和主要內(nèi)容 . 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 3 內(nèi)外建筑防火研究狀況 . 3 應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗火性能的研究狀況 . 6 文的研究思路及主要內(nèi)容 . 7 第二章 高溫下材料的熱工和力學(xué)性能 . 9 述 . 9 溫下混凝土材料的熱工性能 . 9 熱系數(shù) . 10 凝土的比熱 . 10 凝土的質(zhì)量密度 . 10 溫下混凝土材料的物理力學(xué)性能 . 11 溫下混凝土的性能變化的物理一化學(xué)機(jī)理 . 11 溫下混凝土各力學(xué)性能指標(biāo)的變化 . 11 溫下混凝土的變形 . 13 溫下混凝土的溫度 應(yīng)力耦合本構(gòu)關(guān)系 . 15 溫下鋼筋的力學(xué)性能 . 16 溫下鋼筋各力學(xué)性能指標(biāo)的變化 . 16 溫下鋼筋的變形 . 17 溫下鋼絞線的力學(xué)性能 . 18 溫下鋼絞線各力學(xué)性能指標(biāo)的變化 . 18 溫下鋼絞線的變形 . 19 結(jié) . 20 第三章 鋼筋混凝土構(gòu)件截面溫度場(chǎng)非線性分析 . 21 述 . 22 災(zāi)升溫曲線 . 23 災(zāi)下鋼筋混凝土構(gòu)件截面溫度場(chǎng)有限差分公式推導(dǎo) . 23 傳導(dǎo)方程 . 23 傳導(dǎo)方程的單值性條件 . 23 元?jiǎng)澐趾头匠糖蠼?. 25 災(zāi)下鋼筋混凝土構(gòu)件截面溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證 . 37 面受火時(shí)混凝土矩形截面梁溫度場(chǎng)的試驗(yàn)驗(yàn)證 . 37 面受火時(shí)混凝土矩形截面柱溫度場(chǎng)的試驗(yàn)驗(yàn)證 . 39 面受火時(shí)混凝土 T 型截面梁溫度場(chǎng)的算例分析 . 39 結(jié) . 40 第四章 高溫下和高溫后無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn)研究 . 41 述 . 41 驗(yàn)研究概況 . 41 驗(yàn)內(nèi)容及試件設(shè)計(jì) . 41 驗(yàn)裝置和量測(cè) . 43 溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的靜載試驗(yàn) . 44 驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象 . 44 驗(yàn)的撓度以及預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力測(cè)量 . 46 溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn) . 47 驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象 . 47 溫下構(gòu)件內(nèi)部的溫度測(cè)量 . 49 溫下構(gòu)件的變形 . 50 溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化 . 52 同預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度對(duì)抗火性能的影響 . 53 同加載方式對(duì)抗火性能的影響 . 54 溫后無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn) . 54 驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象 . 54 驗(yàn)的撓度以及預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力測(cè)量 . 55 同預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度對(duì)高溫后剩余承載力的影響 . 55 同加載方式對(duì)高溫后剩余承載力的影響 . 55 結(jié) . 59 第五章 高溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁非線性有限元分析 . 60 述 . 60 本假設(shè) . 60 本假定 . 60 溫下預(yù)應(yīng)力混凝土材料的熱 力本構(gòu)模型 . 61 面本構(gòu)矩陣 . 64 元?jiǎng)偠染仃?. 66 衡方程 . 68 線性方程組的求解方法及收斂準(zhǔn)則 . 70 線性方程組的求解 . 70 合性的處理和不平衡力的計(jì)算 . 72 斂準(zhǔn)則 . 73 災(zāi)下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn)驗(yàn)證 . 75 結(jié) . 75 第六章 結(jié)論與展望 . 76 要結(jié)論 . 76 在的問(wèn)題及前景展望 . 77 參考文獻(xiàn) . 78 致 謝 . 83 攻讀碩士學(xué)位期間參與科研及發(fā)表論文情況 . 84 碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 言 火，創(chuàng)造了人類文明，推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步。無(wú)論過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)，它對(duì)人類的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展都有著無(wú)法估量的巨大作用。但是，若火失去了控制便會(huì)形成火災(zāi)，就會(huì)給人類的生命財(cái)產(chǎn)和自然資源造成極大損失。據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家 1980年的統(tǒng)計(jì)1：火災(zāi)的直接損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的 在我國(guó)，火災(zāi)己成為發(fā)生概率最大、損失最嚴(yán)重的一種災(zāi)害，且呈逐年增加的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：我國(guó)每年火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失，七十年代為 十年代為 十年代比八十年代翻了兩番還多，為 國(guó)民生產(chǎn)總值的 3；進(jìn)入二十一世紀(jì)火災(zāi)損失更為嚴(yán)重2。 常見(jiàn)的火災(zāi)有：建筑火災(zāi)、森林火災(zāi)、材料堆場(chǎng)火災(zāi)、交通工具火災(zāi)等。其中發(fā)生次數(shù)最多，損失最嚴(yán)重的是建筑火災(zāi)3。雖然，目前國(guó)內(nèi)外絕大部分的建筑結(jié)構(gòu)材料，如混凝土、鋼筋、鋼材等本身是不燃燒的，但在火災(zāi)高溫作用下，結(jié)構(gòu)及其組成材料的性能都會(huì)發(fā)生一系列不利的變化， 進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷或破壞，甚至造成整個(gè)建筑物的倒塌。而且隨著社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展，人員和物資愈加高度集中，建筑火災(zāi)的危害性更顯突出。 例如， 1974年比利時(shí)一幢三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋在起火 75分鐘后突然倒塌。 1993年福建泉州一座鋼結(jié)構(gòu)冷庫(kù)起火，造成 3600多平方米的庫(kù)房倒塌。 1993年江西南昌萬(wàn)壽宮商城發(fā)生火災(zāi)， 一棟八層鋼筋混凝土底框結(jié)構(gòu)房屋在火災(zāi)中整體倒塌。 1998年北京某家俱城發(fā)生火災(zāi)，造成該建筑鋼結(jié)構(gòu)整體倒塌。 2003年湖南衡陽(yáng)衡州大廈在大火中坍塌，坍塌的根本原因是大火燃燒時(shí)，在衡州大廈西部偏北的 5根柱子損毀比較嚴(yán)重，這 5根柱子承載能力下降，在重載的壓力下倒塌，繼而引起衡州大廈 3000多平方米建筑的坍塌。 2003年 11月 24日凌晨 2時(shí) 30分許 （莫斯科時(shí)間） ， 俄羅斯莫斯科西南部的盧蒙巴人民友誼大學(xué)一棟高 5層的學(xué)生宿舍樓發(fā)生火災(zāi)，宿舍樓 2層至 5層被燒，火災(zāi)面積達(dá) 1000多平方米，并造成 37人死亡，100多人受傷。特別是 2001年 9月 11日，美國(guó)紐約世界貿(mào)易中心大廈在飛機(jī)撞擊后起火，在很短的時(shí)間內(nèi)造成兩棟世界標(biāo)志性摩天大樓的整體倒塌。 因此，研究建筑結(jié)構(gòu)抗火性能及其防火設(shè)計(jì)以減少火災(zāi)事故的損失，具有十分重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是使高強(qiáng)鋼材和高強(qiáng)混凝土能動(dòng)地結(jié)合在一起的高效結(jié)構(gòu)， 在結(jié)構(gòu)中人為地施加作用力使構(gòu)件中的混凝土和普通鋼筋產(chǎn)生與外荷載作用下的應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，利用預(yù)加應(yīng)力的手段，可以使混凝土結(jié)構(gòu)做出更大的跨度，承受更大的使用荷載。預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展到今天，其應(yīng)用已逐步擴(kuò)大到居住建筑、大跨和大空間公共建筑、高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、海洋結(jié)構(gòu)、壓力容器、核安全殼以及大噸位囤船結(jié)構(gòu)等各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)已由早期的簡(jiǎn)單構(gòu)件發(fā)展為現(xiàn)今復(fù)雜的空間整體受力結(jié)構(gòu)，以其大跨、大空間、良好的結(jié)構(gòu)整體性能以及有競(jìng)爭(zhēng)力的綜合經(jīng)濟(jì)效益， 正逐步成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展趨勢(shì)。 由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)多用在重要性較高的建筑中，這樣的建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，如果結(jié)構(gòu)沒(méi)有足夠的抗火性能，必然會(huì)帶來(lái)巨大的損失，因此預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能應(yīng)該更加引起人們的關(guān)注。由于組成預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土和鋼絲、鋼鉸線已經(jīng)處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，具有一定的應(yīng)力歷史，隨著火災(zāi)的發(fā)生，高溫對(duì)材料的影響將比普通混凝土結(jié)構(gòu)更大，將造成劇烈的內(nèi)力重分布，從而改變破壞形式，大大降低結(jié)構(gòu)的抗火性能。 目前，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)整體性能的抗火試驗(yàn)不多，理論研究也較少，國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗火試驗(yàn)研究尚處于起步階段， 對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法研究基本處于空白。我國(guó)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中涉及預(yù)應(yīng)力混凝土的抗火部分的條文主要取自美國(guó)后張預(yù)應(yīng)力混凝土手冊(cè) 。因此開(kāi)展預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能及設(shè)計(jì)方法的研究對(duì)完善我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的目的和主要內(nèi)容 混凝土和鋼材是目前使用最廣泛的建筑材料， 在現(xiàn)代建筑中大量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，盡管其材料本身不燃，且混凝土是熱惰性材料，但由于火災(zāi)的高溫作用，仍將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。火災(zāi)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，主要表現(xiàn)在火災(zāi)高溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，而這種影響又分為火災(zāi)中和火災(zāi)后兩個(gè)方面。歸納起來(lái)有： (1 )火災(zāi)下：混凝土構(gòu)件材料強(qiáng)度降低，彈性模量下降，徐變?cè)黾?；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力下降，變形增加，嚴(yán)重者發(fā)生局部或整體倒塌。 (2 )火災(zāi)后：混凝土構(gòu)件材料強(qiáng)度降低，彈性模量下降；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力下降，有殘余變形，嚴(yán)重者不能繼續(xù)使用。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究的目的一方面是為了建立一套合理、 方便適用的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法，提高或保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在火災(zāi)中的承載能力，避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的局部或整體倒塌而造成人員疏散困難，滅火行動(dòng)受阻或人員的傷亡；另一方面是為了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷程度作出科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，并據(jù)此制訂受損碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固方案， 以減少火災(zāi)造成的損失， 縮短火災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)的時(shí)間。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究主要涉及到熱工、建材和結(jié)構(gòu)等學(xué)科，研究涉及面較廣，試驗(yàn)設(shè)備要求高，至今仍未得到十分完善的理論分析。綜合國(guó)內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗火研究的情況，混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的主要內(nèi)容可歸納為四個(gè)方面4： (1)混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中所處環(huán)境的研究 混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的首要任務(wù)， 就是要明確結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在火災(zāi)中所處的環(huán)境，亦即需要研究建筑火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程和規(guī)律，研究失火建筑內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布及歷程。 (2)混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的行為研究 火災(zāi)一旦發(fā)生，混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件將經(jīng)受火災(zāi)高溫的作用?；馂?zāi)中混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件將發(fā)生什么變化，即混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的行為如何，是混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究中所關(guān)注的。一般說(shuō)來(lái)，結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的行為研究應(yīng)包括：結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在火災(zāi)中的內(nèi)部溫度場(chǎng)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料在火災(zāi)高溫下的性能，基本構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體在火災(zāi)中的性能變化規(guī)律等。 (3)混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的研究 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)，是定量、合理和有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗火能力，避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中發(fā)生局部破壞或整體倒塌的可靠途徑。 (4)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估和修復(fù)加固方法的研究 大部分經(jīng)歷火災(zāi)的混凝土結(jié)構(gòu)并未完全失效或倒塌， 經(jīng)過(guò)一定處理后仍能繼續(xù)使用。這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但火災(zāi)后的混凝土結(jié)構(gòu)畢竟受到了程度不同的損傷。所以，只有首先對(duì)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度及剩余承載力作出合理的評(píng)估，然后才能利用現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法和手段，對(duì)火災(zāi)后的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的加固和修復(fù)。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 內(nèi)外建筑防火研究狀況 長(zhǎng)期以來(lái)， 對(duì)火災(zāi)的研究局限于通過(guò)統(tǒng)計(jì)火災(zāi)原始資料歸納總結(jié)火災(zāi)規(guī)律的方法。近年來(lái)，世界科技進(jìn)步的步伐加快，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)的飛速進(jìn)展以及試驗(yàn)條件和試驗(yàn)技術(shù)的改善和提高，為火災(zāi)和安全科學(xué)的研究創(chuàng)造了良好的前提和條件。 國(guó)外對(duì)于建筑火災(zāi)的研究較早。 美國(guó)首先提出應(yīng)建立一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)過(guò)程，以方便學(xué)者進(jìn)行建筑構(gòu)件試驗(yàn)及增加試驗(yàn)結(jié)果的可比性，并于 1905年成立了一個(gè)委員會(huì)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法， 該委員會(huì)分別于 1906年和 1908年確定了樓板和墻體的火災(zāi)試驗(yàn)方法。 1928年， 火災(zāi)荷載 ”概念5，建碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4立了火災(zāi)荷載與結(jié)構(gòu)耐火極限的關(guān)系。 1958年 ，建立了隔間內(nèi)的熱平衡關(guān)系。 1982年， ，建立了利用標(biāo)準(zhǔn)熱荷概念進(jìn)行火災(zāi)嚴(yán)重性評(píng)價(jià)的方法。在各國(guó)專家廣泛研究的基礎(chǔ)之上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于 1975年提出了隔間內(nèi)火災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線 ，標(biāo)志著隔間內(nèi)火災(zāi)溫度場(chǎng)的研究進(jìn)入新的階段。 1985年在美國(guó)召開(kāi)了首屆國(guó)際火災(zāi)科學(xué)會(huì)議，成立了國(guó)際火災(zāi)科學(xué)學(xué)會(huì)，標(biāo)志著火災(zāi)科學(xué)在世界范圍內(nèi)形成和發(fā)展。 國(guó)外很多研究者對(duì)火災(zāi)下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究。 . ； . 0； 1； 用簡(jiǎn)化的線性化方法建立了非線性溫度場(chǎng)的變分泛函， 并以此編制了通用有限元程序2。 同時(shí)國(guó)外許多學(xué)者對(duì)混凝土的熱工性能進(jìn)行了廣泛的研究， 其中較有影響的是 315。試驗(yàn)表明，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而減小， 5?；炷恋馁|(zhì)量密度隨溫度的變化不明顯，熱容隨溫度的升高而有所增大， T. T. 6。 作為混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的基礎(chǔ)內(nèi)容，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等國(guó)的專家對(duì)高溫下結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能展開(kāi)了較廣泛的試驗(yàn)研究。 他們研究了普通混凝土、輕混凝土、高強(qiáng)混凝土及普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、結(jié)構(gòu)鋼材等在高溫下的強(qiáng)度、彈性模量、徐變、松弛和本構(gòu)關(guān)系等物理力學(xué)性質(zhì)的變化。根據(jù)已有的研究資料表明，當(dāng)火災(zāi)溫度小于 300時(shí)混凝土材料強(qiáng)度沒(méi)有很大變化，當(dāng)溫度大于 300后其強(qiáng)度開(kāi)始下降，在 400以后顯著下降13,17,18。 但在逐漸冷卻至常溫的過(guò)程中，其彈性模量基本不變19。對(duì)混凝土在高溫下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，國(guó)外的研究表明，曲線隨試驗(yàn)溫度的增加而趨向扁平，峰點(diǎn)顯著下降并且右移14, 20。在升溫過(guò)程中，混凝土的溫度變形因應(yīng)力水平的不同會(huì)有很大的差異，國(guó)外許多試驗(yàn)表明了溫度和應(yīng)力途徑對(duì)混凝土變形的耦合作用21, 22。 為影響因素有溫度、應(yīng)力水平和持續(xù)時(shí)間以及骨料的品種和配合比等23, 24。高溫下鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線的力學(xué)性能國(guó)外已進(jìn)行了一些研究25, 26，已有的試驗(yàn)表明預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線高溫下的力學(xué)性能均比普通鋼筋差。 在此基礎(chǔ)之上，國(guó)外許多學(xué)者對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件如梁、板、柱、墻、框架碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5在火災(zāi)高溫環(huán)境中的反應(yīng)及耐火性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)或理論研究2730。進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在荷載及高溫共同作用下的應(yīng)力分布、 變形和破壞特征等多方面進(jìn)行了探索，并且提出了混凝土結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)31，為規(guī)范試驗(yàn)研究起到了很好作用。 隨著人們對(duì)材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在火災(zāi)環(huán)境中性能及行為特征了解的深入，加之對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能要求的提高， 各種混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗火分析方法和設(shè)計(jì)理論被陸續(xù)提出3234。 各國(guó)專家、學(xué)者們又研究了材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)后的性能3537，探討了材料在高溫后的性能劣化、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的高溫?fù)p傷、過(guò)火構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估和修復(fù)方法，并將其應(yīng)用于一些工程實(shí)踐38。 我國(guó)在火災(zāi)學(xué)和建筑火災(zāi)研究方面起步較晚，新中國(guó)成立以后，建筑防火日益受到重視，但至七十年代，國(guó)內(nèi)還缺乏研究成果，主要借鑒國(guó)外有關(guān)的研究成果和相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)制定了一系列的規(guī)范和指南。八十年代至今，我國(guó)防火設(shè)計(jì)研究進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。八十年代中期開(kāi)始，清華大學(xué)、哈爾濱建筑工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等院校都開(kāi)展了火災(zāi)基本原理及火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能影響的研究。 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)混凝土瞬態(tài)溫度場(chǎng)的求解進(jìn)行了卓有成效的研究。 清華大學(xué)時(shí)旭東、過(guò)鎮(zhèn)海根據(jù)火災(zāi)下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化利用有限單元法給出了非線性瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算方法39；董毓利計(jì)算了一維溫度場(chǎng)的解析解，推導(dǎo)了具有復(fù)雜邊界二維溫度場(chǎng)的差分格式， 同時(shí)針對(duì)不同情況討論了解的穩(wěn)定性問(wèn)題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和較高的精度40。此外，清華大學(xué)過(guò)鎮(zhèn)海教授對(duì)混凝土的熱工參數(shù)也進(jìn)行了較為詳盡的研究39,41。 東南大學(xué)張大長(zhǎng)、呂志濤對(duì)混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究，提出了不同溫度下各種材料強(qiáng)度及彈性模量的計(jì)算公式，并對(duì)鋼筋與混凝土的粘結(jié)進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的計(jì)算方法42。清華大學(xué)過(guò)鎮(zhèn)海教授對(duì)高溫下混凝土最基本的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)研究， 分析了高溫下混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律和機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，在 100時(shí)，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比常溫下降了 1 0% 12%，當(dāng)溫度到達(dá) 200 300時(shí)，混凝土強(qiáng)度有所提高甚至超過(guò)常溫強(qiáng)度，原因是水泥凝膠體內(nèi)的結(jié)合水開(kāi)始脫出，使得膠合作用加強(qiáng)，當(dāng)溫度大于 400以后強(qiáng)度急劇下降，80 0以后，混凝土的強(qiáng)度所剩無(wú)幾，同時(shí)他還給出了建議的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算公式， 進(jìn)而提出了高溫下混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€方程41。 同時(shí)， 過(guò)鎮(zhèn)海教授通過(guò)測(cè)量得到了混凝土的自由膨脹變形、高溫下的應(yīng)力變形、瞬態(tài)熱應(yīng)變和短期高溫徐變等數(shù)據(jù)，建立了混凝土高溫下溫度 應(yīng)力耦合本構(gòu)關(guān)系，為混凝土結(jié)構(gòu)的抗火分析提供了重要的依據(jù)41。大連理碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6工大學(xué)胡倍雷、宋玉普、趙國(guó)藩對(duì)混凝土高溫后在兩向壓荷載作用下的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并給出了相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則43。東南大學(xué)范進(jìn)、呂志濤研究了預(yù)應(yīng)力鋼絲在經(jīng)歷高溫作用并冷卻至室溫后的力學(xué)性能44， 并給出了力學(xué)模型。 在吸收和借鑒國(guó)外構(gòu)件抗火研究成果的基礎(chǔ)上， 國(guó)內(nèi)一些高校和科研單位對(duì)混凝土構(gòu)件也進(jìn)行了許多試驗(yàn)和理論研究工作。同濟(jì)大學(xué)陸洲導(dǎo)、朱伯龍教授對(duì)12 根鋼筋混凝土簡(jiǎn)支粱進(jìn)行了一面、二面、 三面受火的抗火性能試驗(yàn)，研究了不同的荷載、升溫曲線、鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)簡(jiǎn)支梁抗火性能的影響，并分析計(jì)算了鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的內(nèi)力和撓度45。陸洲導(dǎo)、朱伯龍教授通過(guò)五榀單層雙跨鋼筋混凝土框架在使用荷載作用下、不同溫度、不同加熱形式下的火災(zāi)試驗(yàn)，對(duì)火災(zāi)中結(jié)構(gòu)的反應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)火災(zāi)進(jìn)程中框架的位移、剛度及內(nèi)力重分布進(jìn)行了計(jì)算46,47。 清華大學(xué)過(guò)鎮(zhèn)海教授進(jìn)行了高溫下鋼筋混凝土連續(xù)梁和框架的受力性能試驗(yàn)研究，通過(guò)鋼筋混凝土兩跨連續(xù)梁和單層框架的高溫試驗(yàn)，考察了不同加載位置、 荷載水平以及不同加熱條件等因素下連續(xù)梁的變形和內(nèi)力隨溫度的變化規(guī)律，分析了連續(xù)梁和框架的破壞特征和機(jī)構(gòu)等48。清華大學(xué)楊建平、過(guò)鎮(zhèn)海進(jìn)行了 12 根三面受火下鋼筋混凝土壓彎試件試驗(yàn)的試驗(yàn)研究，分析了不同升溫加載途徑對(duì)試件抗火性能的影響， 同時(shí)還給出了一種計(jì)算三面高溫下鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法， 通過(guò)此方法能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算出不同溫度下鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的極限承載力49。 時(shí)旭東通過(guò)三面受火下鋼筋混凝土門(mén)式框架的試驗(yàn)研究，分析了高溫下框架的變形和內(nèi)力重分布規(guī)律、破壞特征以及極限承載力。結(jié)果表明，高溫下框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)的次序、位置，破壞機(jī)構(gòu)以及極限承載力等與常溫下的顯著不同， 內(nèi)力在整個(gè)升溫過(guò)程中經(jīng)歷了劇烈且復(fù)雜的重分布過(guò)程50。 應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗火性能的研究狀況 國(guó)外預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗火性能的研究稍晚于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 主要工作始于 60年代中后期和 70年代初。 早期 其認(rèn)識(shí)具有明顯的局限性51。其后的一些學(xué)者的試驗(yàn)研究表明預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在火災(zāi)作用下仍具有很好的延性性能，即使當(dāng)受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度后，破壞前鋼筋應(yīng)變逐漸增大，在倒塌前撓度增大而給出明顯的警告52, 53。 析了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁、板等構(gòu)件在多種工況下的抗火性能，并對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性提出了建議的計(jì)算方法27。 1，包括不同比例試件的耐火極限試驗(yàn)的對(duì)比。 4進(jìn)行了后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板的試碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 7驗(yàn)研究。 上述試驗(yàn)著重研究了預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)構(gòu)件抗火性能的影響， 試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力混凝土能滿足結(jié)構(gòu)不同的耐火等級(jí)要求，其耐火性能主要取決于其預(yù)應(yīng)力筋在火災(zāi)中所達(dá)到的溫度， 因此預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)層厚度和梁的截面形式對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能具有明顯得影響； 先張和后張預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件具有相同的耐火性能；當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度較大時(shí)，保護(hù)層內(nèi)必須增加輔助鋼筋以防止保護(hù)層開(kāi)裂、剝落。另外 5對(duì)不同骨料和噴有隔離層的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行了抗火試驗(yàn)， 分析了各種噴射材