一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法
2023-07-07 23:03:56
專利名稱：一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法
技術領域：
本發明涉及一種混凝土構件的性能分析方法，更具體地涉及一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法。
背景技術：
我國是世界上火災災害最嚴重的國家之一，因此新建和既有建築在火災發生時是否能夠不倒塌是結構設計人員的重要任務，而鋼筋混凝土結構是目前我國工業和民用建築結構的主要型式，其抗火災能力是保障人民生命財產安全的重要指標。大量既有鋼筋混凝土結構原設計的依據標準過低，加之耐久性及結構已有損傷等因素的影響，如何評估建築結構的抗火災能力成了非常重要的課題，迫切需要發展一套方法來定量評估抗火災能力， 使得抗火災能力不足的建築結構能及早加固或拆除。《混凝土結構設計規範》GB50010-2002的5. I. 2條規定結構可能遭遇火災、爆炸、撞擊等偶然作用時，尚應按國家現行有關標準的要求進行相應的結構分析。但現行的國家標準比如《建築設計防火規範》GB 50016-2006都是一些構造性的要求，是以「防」為目的的要求，對於混凝土結構在遭受火災作用時的力學性能如何評估，則還沒有相應的條款進行指導。相對而言，歐洲規範這方面則要成熟一些，已有了些指導性的內容。比如EN 1990 2002規定結構的火災設計分析應在EN 1991-1-2規定的火場基礎上進行；應考慮結構在高溫狀態下的力學特性。除了應用表格數據或實驗結果外，還應進行結構整體分析、子結構分析和杆件分析。結構構件在高溫狀態下的力學特性應為非線性。結構分析模型可以是單個構件，也可以考慮在火災時構件間的相互作用。而EN 1991-1-2 :2002則規定結構的火災設計分析應按下面的幾個步驟進行1、 選擇合適的設計火災場景，2、確定相應的設計火災,3、計算結構構件內部的溫度分布，4、計算結構在火災作用下的力學性能，另外還要考慮結構的火災作用屬於異常作用，常溫下的荷載作用，若在火災發生時還起作用，則必須同時考慮，不考慮由於燃燒引起的某些外部荷載值變小的情況，雪荷載不同時考慮，操作荷載引起的作用不必同時考慮，其他異常荷載作用不同時考慮，由於火災引起的附加作用應同時考慮。EN 1992-1-2 :2004規定了混凝土在高溫情況下的應力應變關係及相關的熱力學性能參數的圖表和計算公式，並提供了高級計算方法的原則性條款。該方法將進行一個結構處於火災作用下的仿真分析，其它潛在的破壞模式不包括在該方法的範圍內(比如剝落、受壓鋼筋的局部屈曲、剪力和粘接破壞和錨固件的破壞等)，該方法適用於任何形式的截面，截面的溫度分布可不考慮鋼筋的影響，結構潮溼度的影響可忽略，該計算方法應考慮材料的力學特性隨溫度的變化，該計算方法應以結構的力學基本原理和假定為基礎，由於溫度上升及溫差引起的應力應變應考慮，在極限狀態下的變形應進行限制，應考慮結構幾何非線性的影響，單個構件、部分結構或整體結構的承載力計算應用塑性分析方法，直接暴露於火場的截面受壓區，應校核處理混凝土的破裂或保護層的剝落情況。
上述都是指導性的原則性的內容，具體的計算方法要靠工程設計人員自己去把握處理，難度很大，也不具備普及性的應用。
發明內容
本發明目的在於提供一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法，其中結構的火災效應可以不必去求得其內力再參與結構的內力組合，而可以通過把直接求得的溫度應變與常規計算得到的應變相疊加的方式來處理，這樣不但可以避免用有限元模型進行非線性計算的難點，還可以考慮混凝土和鋼筋的隨溫度變化的非線性特性，得到較為合理的結
果O本發明採用如下技術方案來實現，提供一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法，包括以下步驟(I)確定預應力混凝土外罐截面配筋設計的基本信息a)利用第一長度測量裝置確定截面高度值h和截面寬度b，高度值h單位為mm，寬度b為單位寬度；b)利用第二長度測量裝置確定截面底部和頂部混凝土保護層的厚度C1和C2c)確定混凝土在常溫下和高溫下的應力-應變關係曲線、材料等級及其相應的彈性模量E。、軸心抗拉強度標準值ftk和軸心抗壓強度標準值f。，；d)確定普通鋼筋在常溫下和高溫下的應力-應變關係曲線、材料等級及其相應的彈性模量Es和強度標準值fyk ；e)把截面高度h等分為XN等分，每等分的長度為= ^每個等分段的中心點到截面底部的距離為=.
(2)獲取混凝土截面的鋼筋布置方案獲取該計算截面縱向鋼筋的布置方案，得到截面寬度範圍內底部鋼筋的直徑Cl1和面積Asl、頂部鋼筋的直徑d2和面積As2，進而得到截面底部鋼筋中心到截面底邊的距離Clca 和截面頂部鋼筋中心到截面頂邊的距離(1。2，按下列公式計算=Clel = Ci+d/2，dc2 = c2+d2/2(3)獲取混凝土截面在火災作用下的溫度分布利用溫度傳感裝置，並根據熱力學分析得到截面積分點處的溫度分布值TtlQ)，i 為沿截面厚度分布的積分點，然後根據線性插值的原則求截面分段中點處的溫度值T(k) (k =1，XN)、混凝土底部邊緣的溫度Tca、頂部邊緣的溫度Τ 、底部鋼筋的溫度Tsl和頂部鋼筋的溫度Ts2。(4)獲取混凝土截面在火災作用下的有效應變根據熱效應分析得到截面積分點處的有效應變值ε C1Q)，i為沿截面厚度分布的積分點，然後根據線性插值的原則求混凝土截面的底部應變εε1(Τ)、頂部應變L2(T)及等分位置的應變ε。(T)，鋼筋的底部應變Ssl(T)和頂部應變ε s2 (T)，混凝土的等分段中點應變 EiCTMi = L XN) ο(5)獲取混凝土截面軸力設計值Nd和彎矩設計值Md根據極限承載力狀態(ULS)和正常使用極限狀態(SLS)的荷載組合規則計算得到該截面的軸力設計值Nd、彎矩設計值Md。(6)計算混凝土截面各個位置在軸力Nd和彎矩Md作用下的應變根據截面在常規工況作用下的軸力設計值Nd、彎矩設計值Md和步驟(2)確定的配筋方案，採用鋼筋和混凝土常溫下的應力-應變關係計算得到混凝土截面的底部應變 ε cl (F)和頂部應變ε。2 (F)、鋼筋的底部應變ε sl (F)和頂部應變ε s2 (F)，混凝土的等分段中點應變 ε i(F) (i = 1，XN)。(7)計算溫度應變產生的附加軸力Nt和附加彎矩Mt根據應變疊加的原則，把截面各個位置對應的由軸力Nd和彎矩Md產生的應變 ε (F)與由溫度效應產生的應變ε (T)進行疊加，得到該位置處總的應變ε·，並依據混凝土和鋼筋的應力-應變關係，計算增加的溫度效應應變ε (T)對應的新增應力，進而得到附加軸力Nt和附加彎矩Μτ。其計算一般式如下ε i sim = Bi(F)+Si(T)Ssl sum= esl(F)+esl (T)Ss2sum= es2(F)+es2(T)Δ oc(i) =fch(eisUffl,T(i))-fch(￡i(F),T(i))Aosl — fsh( ε sl—sum，Tsl) _fsh( ε si (F)，Tsl)Δ σ s2 — fsh( ε s2—sum，Ts2) -f sh ( ε s2 (F)，Ts2)
XNNt =ΣΔσε(0Δ// + AslAsl + As2As2
i=lMt =^Aac(i) · Ah · (x(/) - 0.5h) + AslAsl · (dcl - 0.5Λ) + As2As2(0.5h-dc2)
i=l式中，￡i ■為混凝土的等分段中點總應變，esl ·為底部鋼筋總應變，es2 _為頂部鋼筋總應變；f；h0為高溫混凝土的應力-應變關係函數，fsh為高溫鋼筋的應力-應變關係函數。(8)計算總的軸力Nsum和彎矩Msum根據內力疊加的原則，把常規荷載工況產生的軸力Nd和彎矩Md與溫度效應產生的附加軸力Nt和附加彎矩Mt進行線性相加，得到總的軸力Nsum和彎矩Msum Nsum = Nd+NT, Msum = Md+MT在這個總的軸力和彎矩作用下，截面會進行應力重分配。(9)給混凝土截面底部和頂部總應變賦初始值和限制值計算步驟需要先給混凝土截面的底部應變L1 ■和頂部應變L2 sum賦予初始值及取值範圍
權利要求
1.一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法，其特徵在於步驟如下(1)確定混凝土截面配筋設計的基本信息a)利用第一長度測量裝置確定截面高度值h和截面寬度b，高度值h單位為mm，寬度b 為mm ；b)利用第二長度測量裝置確定截面底部和頂部混凝土保護層的厚度C1和C2；C)確定混凝土在常溫下和高溫下的應力-應變關係曲線、材料等級及其相應的彈性模量E。、軸心抗拉強度標準值ftk和軸心抗壓強度標準值f。，；d)確定普通鋼筋在常溫下和高溫下的應力-應變關係曲線、材料等級及其相應的彈性模量Es和強度標準值fyk ；e)把截面高度h等分為XN等分，每等分的長度為ΔΑ= 4，每個等分段的中心點到截XN面底部的距離為x(/) = ^(2/-l);2XN(2)獲取混凝土截面的鋼筋布置方案獲取該計算截面縱向鋼筋的布置方案，得到截面寬度範圍內底部鋼筋的直徑Cl1和面積 Asl、頂部鋼筋的直徑d2和面積As2，進而得到截面底部鋼筋中心到截面底邊的距離屯和截面頂部鋼筋中心到截面頂邊的距離(1。2，按下列公式計算=Clel = Ci+d/2，dc2 = c2+d2/2 ；(3)獲取混凝土截面在火災作用下的溫度分布利用溫度傳感裝置，並根據熱力學分析得到截面積分點處的溫度分布值TtlQ), i為沿截面厚度分布的積分點，然後根據線性插值的原則求截面分段中點處的溫度值T(k) (k = 1，XN)、混凝土底部邊緣的溫度Tca、頂部邊緣的溫度Τ 、底部鋼筋的溫度Tsl和頂部鋼筋的溫度Ts2 ；(4)獲取混凝土截面在火災作用下的有效應變根據熱效應分析得到截面積分點處的有效應變值^a)，i為沿截面厚度分布的積分點，然後根據線性插值的原則求混凝土截面的底部應變εε1(Τ)、頂部應變L2(T)及等分位置的應變ε。(!0，鋼筋的底部應變Ssl(T)和頂部應變ε s2 (T)，混凝土的等分段中點應變 ε i(T) (i = I, XN)；(5)獲取混凝土截面軸力設計值Nd和彎矩設計值Md；根據極限承載力狀態(ULS)和正常使用極限狀態(SLS)的荷載組合規則計算得到該截面的軸力設計值Nd、彎矩設計值Md ；(6)計算混凝土截面各個位置在軸力Nd和彎矩Md作用下的應變根據截面在常規工況作用下的軸力設計值Nd、彎矩設計值Md和步驟(2)確定的配筋方案，採用鋼筋和混凝土常溫下的應力-應變關係計算得到混凝土截面的底部應變ε cl (F)和頂部應變ε。2(的、鋼筋的底部應變Ssl(F)和頂部應變ε s2 (F)，混凝土的等分段中點應變 ε i(F) (i = I, XN)；(7)計算溫度應變產生的附加軸力Nt和附加彎矩Mt；根據應變疊加的原則，把截面各個位置對應的由軸力Nd和彎矩Md產生的應變ε (F)與由溫度效應產生的應變ε (T)進行疊加，得到該位置處總的應變ε·，並依據混凝土和鋼筋的應力-應變關係，計算增加的溫度效應應變ε (T)對應的新增應力，進而得到附加軸力Nt和附加彎矩Mt ;其計算一般式如下
2.根據權利要求I所述一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法，在步驟(5)中， 軸力設計值Nd的符號為使截面受拉為正受壓為負，彎矩設計值Md的符號為使截面頂部受拉底部受壓為正和頂部受拉底部受壓為負。
全文摘要
本發明提供一種混凝土構件在火災作用下的性能分析方法，本發明通過把直接得到的混凝土構件在火災情況下的溫度應變與常規荷載作用計算得到的應變相疊加的方式來進行截面的應力應變計算，這樣不但可以避免用有限元模型進行結構整體非線性計算的難點，還可以把混凝土和鋼筋隨溫度變化的非線性特性在截面計算中給體現出來，把結構的整體非線性分析化簡為單個構件的非線性計算。不但可以得到較為合理的結果，還能大大提高計算效率。
文檔編號G01N33/38GK102590484SQ20121001924
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者張素枝, 李金光, 白改玲, 鄭建華 申請人:中國寰球工程公司