带边界约束钢筋混凝土叠合板抗火性能试验研究

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为研究带边界约束钢筋混凝土叠合板的常温抗弯性能、耐火性能及火灾后性能,本文共进行了7块钢筋混凝土叠合板试件的常温静载试验、耐火极限试验、火灾后承载力试验,并进行了数值模拟和理论分析,以期为钢筋混凝土叠合板的抗火性能及火灾后评估提供科学依据,具体内容如下:(1)工作状态的钢筋混凝土叠合板边界约束主要包括:梁的竖向支撑、相邻板跨和梁抗扭刚度提供的支座嵌固约束、周边楼板的水平约束和受火时梁不均匀受火的变形影响;本次试验在叠合板四周浇筑边梁,通过四周边梁的相互刚接实现对叠合板的负弯矩转动约束,并对边梁底面竖向位移进行面约束,同时当边梁不均匀受火时,将产生对叠合板的次约束。(2)对1块带边界约束钢筋混凝土叠合板试件进行了常温静载试验,观测了均布荷载作用下叠合板试件的截面应变、裂缝发展、开裂荷载、极限荷载、破坏形态及叠合面抗剪性能等。研究表明:带边界约束的叠合板试件具有较大的承载能力和安全储备,桁架钢筋对抑制叠合面出现相对滑移非常有效。静载试验结果为火灾下(后)试验研究提供对比数据。(3)运用有限元软件ABAQUS对带边界约束的钢筋混凝土叠合板进行了非线性数值分析,同时进行了理论分析。研究表明,数值模拟和理论分析可较准确的模拟出其开裂荷载、极限承载力及叠合面抗剪承载力。(4)持荷-升温条件下,对3块钢筋混凝土叠合板试件进行了耐火极限试验,其中S2、S3为带边界约束叠合板试件,持荷比分别为0.3、0.5;S4为无边界约束叠合板试件,持荷值与S2相同。对比研究了叠合板试件在不同受火时间下截面温度场分布和不同试件的耐火极限,研究表明:边界约束可显著提高试件的耐火极限,并很好的抑制预制板与叠合层之间水平剥离裂缝的出现和发展。(5)运用ABAQUS对受火试件截面温度场进行了模拟分析,模拟结果与实测结果基本吻合。热-力耦合数值模拟分析表明,试件时间-位移曲线、耐火极限等模拟结果与试验结果基本一致。基于有限元参数化分析,对不同持荷比下钢筋混凝土叠合板的耐火极限进行了回归分析,得到不同持荷比下耐火极限变化规律和计算公式。(6)将本文试验结果与国内同类试验或有限元分析得出的不同持荷比下受弯构件耐火极限进行统一的回归分析,发现普通混凝土构件耐火极限随持荷比变化的规律性很强,通过回归得到了不同参数影响下的耐火极限随持荷比变化的通用关系式,对预测普通钢筋混凝土构件耐火极限具有较强的指导意义。(7)采用理论分析方法,通过考虑板大变形时的受拉薄膜效应,可较准确的计算钢筋混凝土叠合板高温下的极限承载力;考虑叠合面抗剪钢筋受火后强度降低及试件变形对叠合面抗剪性能的不利影响后,高温下叠合面剪力仍小于抗剪承载力。(8)对3块带边界约束的钢筋混凝土叠合板在持荷条件下分别受火30min、 60min、90min,自然冷却后进行常温静载试验,研究了升降温全过程构件截面温度场和受火冷却后的受力性能。研究表明:随受火时间增加,钢筋混凝土叠合板残余承载力和初始抗弯刚度呈抛物线下降,板面残余挠度逐渐增大,但增加趋势逐渐平缓。通过回归得到了带边界约束钢筋混凝土叠合板的跨中最大位移、残余承载力及初始抗弯刚度随受火时间变化的计算公式。(9)运用ABAQUS模拟了叠合板升降温过程温度场及不同受火时间后的抗弯性能。研究表明:试件降温过程中呈现出与升温过程完全不同的温度场变化规律;数值模拟可较好地模拟不同受火时间自然冷却后叠合板的荷载-位移曲线。(10)在试验研究、数值模拟和理论分析基础上,获得了不同约束条件、不同持荷比下钢筋混凝土叠合板的耐火极限变化规律,得到了不同受火时间自然冷却后钢筋混凝土叠合板剩余承载力的劣化公式,为钢筋混凝土叠合板的抗火设计和火灾后检测评估提供了科学依据。
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