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粘贴钢板加固钢筋混凝土(RC)梁因其加固补强效果显著、施工速度快、无现场湿作业、较强的适应性以及高经济效益等优点,近年来被广泛地用于工程实际中。到目前为止,国内外学者对粘贴钢板加固RC梁的力学性能进行研究大部分都还局限在常温条件下,对于粘贴钢板加固RC梁在火灾或高温下的力学反应的研究还很少。在高温作用下,结构胶粘剂因其自身较差的耐火性而逐渐软化,从而使得加固钢板和混凝土的粘结作用大大折减,带来极大的安全隐患。针对我国对粘贴钢板加固构件抗火性能研究的不足,本文完成了粘贴钢板加固RC梁的高温抗弯试验,并在试验结果的基础上通过大型有限元分析软件ABAQUS对标准火灾下粘贴钢板加固RC梁的温度场以及抗弯性能进行了深入的数值模拟分析,分析对比了影响火灾下加固梁抗弯性能的参数。主要研究内容和研究成果包括:
①完成粘贴钢板加固RC梁的高温抗弯试验,并对试验结果进行了相应的总结分析,为后续的有限元模拟提供一定的数据支持。
②建立粘贴钢板加固RC梁温度场有限元模型以探究混凝土和钢材的热工参数(比热、含水率以及热传导系数等)、防火涂料、综合辐射系数、对流换热系数以及钢-砼界面接触热阻对加固梁温度场的影响,并和试验结果进行对比以验证温度场模型的准确性和有效性。结果显示:由于加固梁的一些构造措施以及混凝土和钢材的热工属性的差异,在沿着梁的纵向方向上,加固梁温度分布极不均匀;在加固梁的同一截面内,加固钢板温度分布较混凝土均匀,混凝土因自身的热惰性而呈现出较加固钢板更为缓慢的升温趋势;受火面的综合辐射系数和对流换热系数对加固梁的温度场影响较大;钢-砼界面接触热阻和混凝土的含水率对加固梁温度场的分布均有着一定的影响;采用欧洲规范EN1992-1-2推荐的修正后的混凝土的比热能较好地对加固梁温度场的分布进行模拟;防火涂料能有效地减缓加固梁内部温度的上升。
③采用顺序热力耦合的数值分析方法,考虑混凝土的高温受压损伤塑性(CDP)以及材料在高温下强度和刚度的折减,计算得到加固梁在高温下的受火时间-跨中竖向挠度关系曲线,通过和试验结果对比以验证应力场模型的准确性。本文通过大量的敏感性分析得到了较为理想的有限元模拟结果:ABAQUS中提供的摩擦模型能较好地模拟钢板和混凝土在高温作用下的粘结滑移;美国规范ASCE给出的混凝土热膨胀系数以及欧洲规范EN1993-1-2中给出的钢材的热膨胀系数能更好地模拟加固梁在高温下的力学响应;对于不带防火涂料的加固梁,混凝土的膨胀角对构件在受火前期的高温力学响应影响不大,但对受火后期的影响较大;而对于带防火涂料的加固梁,混凝土膨胀角对构件的高温力学响应影响几乎可以忽略不计;混凝土的含水率(0%~3.0%)对构件的温度场和力学响应均有一定的影响,但影响较小。
④本文建立了26个有限元模型,对比分析了影响火灾下粘贴钢板加固RC梁抗弯性能的参数,结果显示:在适筋梁条件下,虽然随着受拉或受压钢筋面积的增加,加固梁的变形有所降低,但影响不明显;对于不同的荷载比,荷载比对带防火涂料的加固梁的高温力学响应影响较小,而对于不带防火涂料的加固梁影响较大;在相同荷载比的情况下,加固钢板的厚度对加固梁的高温承载力影响不大;防火涂料的设置方式和厚度对高温下加固梁的温度场分布以及力学响应均有着较为显著的影响:采用A类防火涂料设置方式可更加有效地提高加固梁的耐火性能,并且在A类梁截面下,增加防火涂料的厚度可显著提高加固梁的耐火性能;当荷载比一定时,混凝土的强度等级对不带防火涂料的构件的耐火性能影响较大,而对带防火涂料的构件的耐火性能影响较小。
①完成粘贴钢板加固RC梁的高温抗弯试验,并对试验结果进行了相应的总结分析,为后续的有限元模拟提供一定的数据支持。
②建立粘贴钢板加固RC梁温度场有限元模型以探究混凝土和钢材的热工参数(比热、含水率以及热传导系数等)、防火涂料、综合辐射系数、对流换热系数以及钢-砼界面接触热阻对加固梁温度场的影响,并和试验结果进行对比以验证温度场模型的准确性和有效性。结果显示:由于加固梁的一些构造措施以及混凝土和钢材的热工属性的差异,在沿着梁的纵向方向上,加固梁温度分布极不均匀;在加固梁的同一截面内,加固钢板温度分布较混凝土均匀,混凝土因自身的热惰性而呈现出较加固钢板更为缓慢的升温趋势;受火面的综合辐射系数和对流换热系数对加固梁的温度场影响较大;钢-砼界面接触热阻和混凝土的含水率对加固梁温度场的分布均有着一定的影响;采用欧洲规范EN1992-1-2推荐的修正后的混凝土的比热能较好地对加固梁温度场的分布进行模拟;防火涂料能有效地减缓加固梁内部温度的上升。
③采用顺序热力耦合的数值分析方法,考虑混凝土的高温受压损伤塑性(CDP)以及材料在高温下强度和刚度的折减,计算得到加固梁在高温下的受火时间-跨中竖向挠度关系曲线,通过和试验结果对比以验证应力场模型的准确性。本文通过大量的敏感性分析得到了较为理想的有限元模拟结果:ABAQUS中提供的摩擦模型能较好地模拟钢板和混凝土在高温作用下的粘结滑移;美国规范ASCE给出的混凝土热膨胀系数以及欧洲规范EN1993-1-2中给出的钢材的热膨胀系数能更好地模拟加固梁在高温下的力学响应;对于不带防火涂料的加固梁,混凝土的膨胀角对构件在受火前期的高温力学响应影响不大,但对受火后期的影响较大;而对于带防火涂料的加固梁,混凝土膨胀角对构件的高温力学响应影响几乎可以忽略不计;混凝土的含水率(0%~3.0%)对构件的温度场和力学响应均有一定的影响,但影响较小。
④本文建立了26个有限元模型,对比分析了影响火灾下粘贴钢板加固RC梁抗弯性能的参数,结果显示:在适筋梁条件下,虽然随着受拉或受压钢筋面积的增加,加固梁的变形有所降低,但影响不明显;对于不同的荷载比,荷载比对带防火涂料的加固梁的高温力学响应影响较小,而对于不带防火涂料的加固梁影响较大;在相同荷载比的情况下,加固钢板的厚度对加固梁的高温承载力影响不大;防火涂料的设置方式和厚度对高温下加固梁的温度场分布以及力学响应均有着较为显著的影响:采用A类防火涂料设置方式可更加有效地提高加固梁的耐火性能,并且在A类梁截面下,增加防火涂料的厚度可显著提高加固梁的耐火性能;当荷载比一定时,混凝土的强度等级对不带防火涂料的构件的耐火性能影响较大,而对带防火涂料的构件的耐火性能影响较小。