火灾下超高性能混凝土梁斜截面承载性能研究

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斜截面破坏是火灾下混凝土梁断裂坍塌时最突出的破坏模式。斜截面破坏属于脆性破坏,破坏时断裂坍塌突然,可防控性差。新型超高性能混凝土(UHPC)结构火灾安全风险大,尤其是火灾作用下UHPC梁斜截面承载性能亟待研究,开展火灾下UHPC梁斜截面承载性能与破坏机理研究,提出UHPC梁斜截面承载的火灾安全控制理论和抗火性能化设计方法,具有重要的学术价值与显著的社会、经济效益和广阔的应用前景。因此,本文针对上述关键科学技术问题开展火灾下UHPC梁斜截面承载性能研究,主要工作如下:(1)基于混凝土梁斜截面受剪破坏理论,对火灾下混凝土梁严重毁损和倒(坍)塌机理分析,对比UHPC梁与混凝土梁在火灾下的材料及热工性能、斜截面剪力传递机制与抗火设计方法上的差别,对火灾下UHPC梁斜截面承载性能中剪弯段高温爆裂、非线性温度场引起的斜截面抗力衰减与剪力传递机制变化等开展理论分析,识别和量化UHPC梁斜截面承载的火灾安全性。结果表明,斜截面破坏是火灾下混凝土梁倒(坍)塌的主要原因,火灾下UHPC梁斜截面承载失效风险显著高于普通混凝土梁。(2)依据热传导理论建立了UHPC梁温度场计算模型,考虑热-力耦合效应并引入材料高温徐变和瞬态热应变,构建了火灾下UHPC梁斜截面承载的精细化有限元分析模型,并进行了试验验证。结果表明:在相同的升温条件下,相同位置UHPC梁温度显著高于普通混凝土梁,热-力耦合有限元模型能够揭示火灾下UHPC梁斜截面传递机制和损伤演化过程,火灾下斜截面破坏模式与试验结果相同,变形与耐火极限与试验结果吻合较好,具有科学合理性和良好的精确性。(3)采用火灾下UHPC梁斜截面承载的精细化有限元模型,以剪跨比、荷载水平、配箍率及箍筋配置方式、纵筋配筋率、截面尺寸等为参数,开展UHPC梁在恒定荷载按ISO834标准升温条件下斜截面承载性能扩参数分析,摸清影响火灾下UHPC梁斜截面承载性能的关键参数及各关键参数的影响规律,揭示热-力耦合下火灾下UHPC梁斜截面承载失效模式。结果表明:火灾下UHPC梁斜截面承载失效属于脆性破坏,破坏位移延性显著高于普通混凝土梁,且随剪跨比增加而增大,剪跨比由1.5增至3.5,耐火极限约增加1.2~1.5h;有腹筋UHPC梁耐火极限小于同条件下的无腹筋梁;UHPC梁配箍率由0.16%增大至0.27%,试件耐火极限约提高0.5~1.0h。(4)综合考虑火灾下UHPC梁受剪承载性能的影响参数和各参数的影响规律,提出火灾下UHPC梁受剪承载性能的安全控制和抗火设计方法,包括:控制UHPC梁最小截面尺寸及最小保护层厚度,控制UHPC梁剪跨比,避免火灾下斜拉破坏模式,适当增加纵筋配筋率及配箍率等措施提高火灾下UHPC梁斜截面承载的安全性能。
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