火灾损伤钢筋混凝土梁在静、爆炸荷载作用下反应的改进分层截面法外文翻译资料

 2021-12-04 09:12

英语原文共 23 页

国际保护杂志

火灾损伤钢筋混凝土梁在静、爆炸荷载作用下反应的改进分层截面法

结构

2016年,第7卷(4)495–517

?作者2016年转载和许可:

sagepub.co.uk/journalspermissions.navdoi:

10.1177/2041419616658384

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陆攀、李晨、秦芳、翟朝辰和邓潘

摘要

钢筋混凝土结构目前正受到火灾和爆炸的威胁。理论方法的缺乏说明了承受火灾后抗爆震结构评估的缺陷。本文提出了一种改进的分层截面法,该法不仅能够确定承受火灾损伤钢筋混凝土梁的全静阻力-挠度曲线,而且能够预测承受火灾后的钢筋混凝土梁在爆炸作用下的应变。该方法将高温效应和应变率效应纳入混凝土和钢材模型,并在MAPLE软件平台上,基于新的显式标记算法,编制了相应的计算程序FBBA。它根据已有的试验结果,验证了所开发的方法和程序。分析结果表明,承受火灾后,钢筋混凝土梁的剩余承载力明显下降,但延性有所提高。钢筋配筋率越高,承受火灾后的钢筋混凝土梁的承载力衰减越大。在不考虑应变率效应或仅考虑平均应变率效应的情况下,我们低估了钢筋混凝土梁的抗爆性能。

关键词

钢筋混凝土、火灾、爆炸、分层截面法、单自由度

介绍

除了正常的设计荷载外,意外爆炸和火灾也可能对钢筋混凝土结构的安全构成严重威胁。此外,在易燃易爆物品集中的城市地区,爆炸和火灾往往形影不离。

中国人民解放军科技大学防爆减灾国家重点实验室

通讯作者:

李晨,中国人民解放军科技大学防灾减灾国家重点实验室,南京210007。邮箱:chenli1360@qq.com

自从9/11恐怖袭击以来,科学家和工程师们大大加剧了对火灾和爆炸导致的建筑物破坏综合效应的关注。火灾通常会引起严重的微观结构变化,影响钢筋混凝土材料力学性能以及钢筋混凝土构件的静态和动态抗力的弱化。承受火灾损伤的钢筋混凝土结构的抗爆性能与常温下的有很大的不同。因此,了解钢筋混凝土结构在火灾和后续爆炸荷载作用下的破坏机理,对于承受火灾破坏的关键构件的静爆性能所进行的评估和预测,是非常重要的,也是十分必要的。

众所周知,承受火灾会降低混凝土和钢材的弹性模量和强度。在过去的二十年中,我们开发了许多模型来表示高温下的具体行为。Lie和Lin(1985)提出了一个瞬时的抛物线升降情况来表示混凝土的应力-应变关系。残余抗压强度和峰值应变与温度有关。欧洲规范2(2004)给出了高温下的强度和变形特性。建议的应力-应变关系由两个参数定义:抗压强度fc,,和对应于fc的应变ε。它还确定了这些参数的值。Chang等人(2006)对混凝土加热到100°C–800°C后的完全压应力-应变关系进行了实验研究。他们建立了火灾暴露混凝土的完全应力-应变曲线方程。这些方程还考虑了试样形状的影响。该方程很好地拟合了包括残余压缩、峰值应变和弹性模量的性能在内的测试结果。

近几年来,研究人员对火灾下钢筋混凝土构件的静残余承载力进行了大量的研究。Kodur和Dwaikat(2008)报告了一个经过验证的宏观有限元(FE)模型,该模型能够模拟火灾场景、轴向约束和失效准则对钢筋混凝土梁耐火性的影响。结果表明,在ASTME119标准火灾条件下,轴向约束有利于减小梁的挠度,并且评估中应考虑变形率的破坏准则。ElFitiany和Youssef(2009、2012)介绍了一种分段法,它可用于预测暴露于ASTME119标准火灾后钢筋混凝土柱的轴向承载力、轴向变形和截面弯矩-曲率曲线,同时它也考虑了混凝土和钢筋在火灾中的强度降低和热应变。然而,在这种方法中,截面被划分成若干层,其中力学性能被简化为均匀的。它也进一步研究了基于数值分析的剩余抗弯承载力预测公式。韩和霍(2003)对12根承受了ISO834标准火灾后的钢管混凝土柱进行了轴压试验。结果表明,试件的轴向残余承载力随火灾持续时间的延长而显著降低。

然而,与单次爆炸或火灾相比,钢筋混凝土结构在爆炸和火灾荷载作用下的应变要复杂得多。迄今为止,有关高温和高应变率下混凝土材料性能的现有文献有限。Huo等人(2013)通过实验研究了混凝土在700℃高温下的动态变化,结果表明混凝土的应变率增强效应随温度升高而降低。Chen等人(2015)利用特制的微波加热自动时控分离式霍普金森压杆(Matshpb)装置,系统研究了混凝土在高达950℃下的高应变率和高温的联合效应。本文提出了一个用于表示混凝土强度动态增长因子的显示公式。

关于建筑在爆炸和火灾中的性能的文献有限,主要集中在钢结构方面。Song(2000)和Izzuddin等人(2000)报道了一种综合非线性分析方法用于研究钢构件和框架在爆炸荷载和火灾情况下的行为。Liew和Chen(2004年)以及Chen和Liew(2005年)提出了一种混合元素方法,并将其运用到有限元软件ABAQUS中。他们采用该方法研究了钢框架和钢柱在火灾和爆炸联合作用下的局部屈曲和极限承载力。Fang等人(2010、2013)在ABAQUS中开发了一种三维数值方法,分析爆炸荷载对钢构件耐火性能的影响,包括温度感应速率敏感性和软化效应。Kakogiannis等人(2013)对承受火灾损伤的空心钢板进行了全尺寸爆破试验用以研究它的动态响应和裂纹模式,他们也在商用软件LS-Dyna中进行了相应的数值分析。仅Ruan等人(2015)在ABAQUS中提出了一种数值方法来预测钢筋混凝土柱在承受火灾后发生气体爆炸时的动力行为和破坏模式,尽管这仍需要大量的实验验证。然而,这些理论方法的发展还不足以理解钢筋混凝土结构在爆炸和火灾下的动力变化。一个能够快速评估的简单、合理、实用的理论方法是非常必要的。

本文对传统的分层截面法进行了改进,以估计承受火灾损伤的钢筋混凝土梁在静载和爆炸荷载作用下的受力性能。本文采用一种新的截面划分方法,建立了截面温度分布模型。本文采用新的显式标记算法,它采用了等效单自由度(SDOF)模型用于求解动态响应。相应的求解程序可以在MAPLE平台上编译。此外,本文还讨论了承受火灾损伤的钢筋混凝土梁的静残余承载力、结构延性以及应变率效应。

静载修正分层截面法

传统的分层截面法通常用于计算截面的弯矩-曲率曲线,这对于预测钢筋混凝土梁的阻力-挠度曲线非常重要(Chen等人,2011;Wu等人,2009;Zhu和Dong,1985)。然而,想要将这种方法引入到承受火灾损伤的钢筋混凝土梁的分析中则要面临许多挑战。首先,现有的方法假设将截面假设划分为具有统一属性的层。然而,承受火灾不仅导致沿深度的温度分布不均匀,而且还导致沿宽度的温度分布不均匀。沿两个方向的温度分布会导致整个截面的材料特性不同。第二,我们在传统的分层电算截面法中,采用现有的外推方法,在截面中轴线处寻找合适的应变。然而,该方法在大截面曲率情况下往往会导致算法中出现无休止的循环,这实际上阻碍了对动力分析有重要意义的全力矩-曲率曲线的计算。

修正层划分

在传统的分层截面法中,矩形梁截面按截面深度h分为N层,但在承受火灾后,每层混凝土和钢筋的性能不均匀。这是由于混凝土在传热过程中的热惯量较低。因此,我们提出了如图1所示的一种新的网格划分方法。假设每个网格中的温度是均匀的,由网格中心的温度表示。通过网格密度可以调整梁截面温度分布的精度。因此,承受火灾损伤的材料的应力-应变曲线可以由每个网格中的温度来确定。

图1。截面网格划分。

很明显,网格尺寸n取决于截面尺寸,而较小的网格尺寸通常会导致更精确的结果,但计算时间较长。本文采用4mmtimes;4mm的经验网格尺寸对钢筋混凝土梁的方形截面进行了研究。

温度分布模型

假设钢筋混凝土梁沿纵向均匀加热;因此,沿梁的温度是一致的。Wu(2003)提出了一个简化模型来预测火灾下钢筋混凝土构件截面上任意点的温度。为了证明它适用于ISO834推荐的火灾历史下的矩形混凝土截面,建议的火灾时间应大于30分钟。对于方形截面,用方程式(1)表示。

(1)

式中,是沿x方向远离边界的温度x距离;是沿y方向远离边界的温度y距离。它们由方程式(2)和(3)确定。

(2)

(3)

式中,表示边界上的温度;表示截面中心的温度。是截面尺寸;和分别由方程式(4)和(5)计算。

(4)

(5)

式中,为环境温度;和为截面中心温度分别达到30°C和100°C时的火灾次数。和分别由方程式(6)和(7)确定。

(6)

(7)

和分别由方程式(8)和(9)确定。

(8)

(9)

对于矩形截面,1lt;lt;2,其中B和H分别表示X和Y方向上矩形截面的尺寸。

如图2所示,沿Y方向,整个截面分为两部分。在第1部分中,温度分布由方程式(10)确定。

(10)

式中,是沿方向远离边界的温度,由方程式(11)确定。

(11)

在第2部分中,温度分布由方程式(12)确定。

(12)

包括温度效应的材料模型

钢筋:钢筋在环境温度下的应力应变关系,通常采用线弹性和线应变硬化曲线来模拟。据报道,高温LED

图2。矩形部分的划分。

钢筋强度的显著弱化,弱化程度取决于经历过的最高温度(Yang等人,2008)。因此,Han(2002)等人提出了一个双线性曲线模型。它介绍了火灾后钢筋的应力应变曲线。描述如下

(13)

式中,和分别表示应力和应变;和分别表示屈服应力和相应的临界应变;取决于曾经经历过的最高温度,如方程(14)所述;是弹性模量;被定义为;火灾后钢筋的典型应力-应变曲线不同温度暴露后如图3所示。

(14)

混凝土。据报道,火灾暴露后正常强度混凝土的力学性能也主要取决于经历过的最高温度,此后几乎没有恢复(Naus,2006年)。因此,火灾下的应力-应变曲线可以用来确定火灾后混凝土的力学性能。本研究采用了Lie和Lin(1985)提出的考虑高温效应的混凝土模型。它包括抛物线上升和下降分支,表示如下

(15)

图3。不同高温下钢筋的应力应变曲线。

图4。混凝土在不同高温下的应力应变曲线。

(16)

(17)

式中,和分别代表混凝土的应力和相应应变;为抗压强度,为相应的临界应变。混凝土承受不同高温后的典型应力-应变曲线如图4所示。

除高温效应外,导热系数引起的温度梯度也是导致混凝土弱化的另一个原因。.目前该方法还没有考虑到对火灾下钢筋混凝土组分的热力学分析这一问题。

然而,所提出的混凝土材料性能是通过在混凝土弱化过程中部分考虑的温度梯度效应的导热法得到的。

图5。应变分布和截面上的力。

力矩-曲率曲线

截面的弯矩-曲率曲线由沿截面法向的截面力平衡确定。截面平衡分析基于以下三个假设:

平面截面假设。不考虑混凝土和钢筋之间的边界滑动。弯曲后截面保持平面。

弯曲变形假设。加载过程中只发生弯曲变形。

本研究未考虑剪切变形。

拉伸应力假设。计算中忽略了混凝土的拉应力。

矩形截面上的应变和力分布如图5所示,其中表示钢筋的拉力;表示钢筋的压缩力;表示混凝土的压缩力;表示每层混凝土在截面高度处的压缩力;分为层,为外力矩。

力矩-曲率曲线的计算通过以下步骤进行:

1.输入截面尺寸、加热时间、初始曲率和截面中间深度处的初始应变

2.每个网格中的材料应变由基于平面截面假设的确定。根据混凝土或钢筋在不同温度下的应力-应变曲线,确定每个格栅中的材料应力

3.将混凝土的压缩力、拉应力和钢筋的压缩力三部分相加,计算出截面上的总受力。

4.调整截面中部深度的应变,直到截面水平力达到平衡。它可以被描述为

(18)

弯矩与截面中间深度的平衡呗描述为

(19)

5.在矩阵中输出并存储曲率和相应的截面力矩。

6.将截面曲率增加,并重复从(2)到(4)的步骤。假设顺时针曲率为正。

采用外推法求取截面中部的适当应变。它有助于在截面力矩达到屈服力矩之前避免数值振荡,更多细节见朱东(1985)。然而,外推法在截面屈服后可能陷入“无限循环”。因此,在本研究的软化阶段,外推法被内插法取代。这样就可以得到极限承载力和完整的弯矩-曲率曲线。图6给出了完整截面弯矩-曲率曲线的计算流程图,并在MAPLE软件平台上编制了相应的程序。

静阻力-挠度曲线

因此,根据弯矩与曲率的截面关系,可以计算出钢筋混凝土梁的静阻力-挠度曲线。在钢筋混凝土梁的准静态试验中,一般认为有两种加载方法。这些是力控制斜坡和

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