钢筋混凝土柱震损后耐火性能数值分析

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火灾是地震后最常见和危害最大的次生灾害之一。由于地震会使建筑结构受损,其耐火性能同时下降,震后火灾造成的人员伤亡和财产损失往往比地震本身所造成的损失更大。钢筋混凝土柱是建筑框架结构中重要的受力支撑构件,国内外学者分别对其抗震性能和耐火性能研究较多,而对其在震后的耐火性能研究相对较少。据此,本文以钢筋混凝土柱震后不同损伤程度为“初始条件”,采用有限元软件ABAQUS研究震损后钢筋混凝土柱的耐火性能。研究的主要内容及成果如下:(1)首先选取在往复荷载作用下常温时混凝土和钢筋的本构关系,通过与试验的结果进行对比,验证了本文材料本构关系、模型参数和有限元模型的可靠性。然后建立了钢筋混凝土柱的滞回模型,分析了在轴压比、配筋率、混凝土强度、纵筋的强度等级等多种参数下钢筋混凝土柱的滞回性能。结果表明:轴压比、配筋率和纵筋的强度等级等三个因素对柱滞回曲线和延性的变化影响较大,随着轴压比增加,柱的滞回面积变小,耗能效果变差,随着配筋率和柱内纵筋强度的提高,柱的滞回曲线面积增大,耗散地震能量的能力增加;柱的配筋率和纵筋的强度等级对骨架曲线的变化影响较大,钢筋混凝土柱的承载力和延性与配筋率和纵筋的强度等级成正比关系,但配筋率并不是越高就会越好;轴压比和配筋率对柱刚度退化的速度影响较大,轴压比较大的柱虽然初始刚度较高,但随着加载的进行,其刚度退化的速度也远远超过了轴压比较小的柱;提高了柱的配筋率,能够有效地改善柱的初始刚度与刚度退化的速率,但配筋率并非越大就愈好。(2)总结分析了国内外现有混凝土和钢筋在高温下的热工性能以及力学特性的计算方法,合理地选取了本文中混凝土和钢筋的热工性能以及力学特性的计算方法。通过与试验的结果进行对比,验证了模拟相关参数的选取及有限元模型的准确性,进而建立了钢筋混凝土柱温度场和耐火极限分析模型,分析了钢筋混凝土柱在火灾工况、截面尺寸、受火时间等不同参数作用下的温度场以及在轴压比、配筋率、混凝土强度、截面尺寸、荷载比等不同参数作用下的耐火性能。结果表明:受火工况和受火时间对钢筋混凝土柱的温度场影响较大,其中单面受火和四面全部受火时,混凝土柱中心测点1在高温下180分钟时的温度相差约280℃,在四面全部受火的情况下,柱内部温度测点1和测点2在受火时间分别为140min和200min时的温度相差约160℃;轴压比、混凝土强度和荷载比对钢筋混凝土柱的耐火极限影响较大,随着轴压比和荷载比增加,柱耐火极限减小,当轴压比分别取0.2和0.8时,柱耐火极限相差约100min,当荷载比分别取0.15和0.6时,柱耐火极限相差约130min,随着柱混凝土强度的增加,柱耐火极限延长,当混凝土强度分别取C30和C60时,柱耐火极限相差约100min。(3)总结分析已有钢筋混凝土柱地震损伤计算模型,合理选取本文地震损伤计算模型,通过与试验的结果进行对比,验证了本文地震损伤计算模型的选取及有限元模型的准确性,然后建立钢筋混凝土震损柱耐火极限模型,分析了在损伤程度、轴压比、荷载比和受火时间等多种参数下震损柱耐火极限的变化规律。结果表明:损伤程度、轴压比和荷载比是影响震损柱耐火极限的主要因素,随着损伤程度、轴压比和荷载比的增加,柱耐火极限慢慢缩短,与未损伤柱相比,当损伤程度较严重时,柱耐火极限相差约100min,当轴压比分别取0.2和0.8时,柱耐火极限相差约55min,当荷载比分别取0.15和0.6时,柱耐火极限相差约95min。
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