文档介绍：钢筋混凝土结构在火灾中的表现
朝晖黄尹恩小伯吉斯和罗杰j*木板三日
摘要
在过去的二十年中,对火灾中的组合刚架结构进行了大量的研究。但是,其他的结构形式没有得到同水准的研究。在钢筋混凝土课题中,设计仍是基于简单的计算方法,其中已制定的火灾实验标准并不能正确的使用于建筑物在火灾中的表现。这就留下一个难题,假如有可能,制定一个混凝土结构安全标准,或者一个更合适更有效的安全等级。在这篇著作中阐述了适合火灾中钢筋混凝土结构标准体系分析的有效性。如某一商业办公楼按欧洲规范2设计。为了研究结构的未受热与受热区域间的相互作用,对局部防火隔间的不同范围和位置进行了一系列的分析。很明显,相邻未受热结构具有很强的抵抗性和连续性,提高了防火隔间结构的抗火能力。在混凝土板中相对较小领域的拉伸膜力形成,且在火灾中大面积受到压缩膜的作用。因此,火灾中为了加强混凝土梁底部的抗拉应力,尤其在初期阶段,增强他们的抗拉强度。因此保证钢筋的温度不超过某一极限值是非常重要的。研究发现最后结构倒塌总是因为柱受破坏,这表明柱的受力能力对钢筋混凝土建筑物的防火安全极其重要。
1、导言
结构在火灾中的表现一般叫做防火。即在一段时间内,根据温度随时间的变化,各阶段达到不同的极限行为来确定防火标准。在基本性能设计中这极限行为有结构倒塌或者结构失去完整性(考虑火蔓延),以及达到偏移极限。现行的设计规范1和规范2对于全部基本性能设计,允许设计师把防火作为基本设计极限状态中的一项,要考虑下列因素:
(1)、由于局部保护作用导致非均匀受热,这是框架的本质和特殊作用。
(2)、火灾中水平荷载极限状态,应使部分安全系数低于使用于总极限状态的安全系数,因为事故发生具有不确定性。
(3)、随着温度的升高,材料性质应力应变的变化。
这些修正方法的主要限制是基于单跨简支支撑构件在试验下的表现,通常加热由ISO834时间—温度曲线规范确定。建筑结构构件形成局部连续组装,而建筑处于局部火灾中,由于有未受热区域而使结构在失火影响区域具有防火能力。这些结构构件的真实表现与通过标准炉试验表现的具有明显不同。
1995—96年间六个大型火灾实验在Cardington的BRE火灾研究实验室的一座大总和楼中进行。测试显示未受保护的刚构件在多层建筑中有更大的抗火强度比测试单个构件的防火能力。这是由于在防火隔间混凝土楼板(受热与未受热)和相邻组合框架结构中的受热构件的相互作用所致。假如设计师采用这些相互作用用于规定防火要求,作为整体极限状态设计过程中的一部分,由于极其高昂的基础投资,这种相互作用在实际中不可能得到测试。因此,发展相关软件来模拟这些结构在火灾状态下,从而准确计算,变得越来越重要。
很多科学家已经采用了数值模拟法来研究钢筋混凝土结构在火灾状态下的表现。Ellingwood和Lin, Huang 和platten研发了一种钢筋混凝土构件在火灾中的平面建模软件,Lie和 Celikkod已经研发成功有关钢筋混凝土柱的简单模型的高温分析。在很多基本的有限元法中,这种数值模型可以应用,但是为了简化而降低材料性能和使用有限元法对准确的建立,混凝土分析以及失火下的综合建筑物是不合适的。
谢菲尔德大学在过去的十年里研发了一种叫作Vulcan的专门有限元程序,它可以用来建立混合刚架建筑失火时结构表现的三维立体模型,次程序是用一个非线性分层有限元程序来确定钢筋混凝土板在火灾中的结构反映,同时可在任意截面上建立一种更好的梁柱节点单元的三维,从而可以对火灾中的刚架和钢筋混凝土构件的三维分析提供了有效的工具。
在这次研究中,×,次建筑具有真实的受力状况和结构布置。为了加深对结构未受热和受热区域之间的相互作用的了解,对防火隔间的不同范围和位置进行了一系列的分析。
2、这个计划的理论基础
三维非线性有限元程序是Vulcan的理论基础,模拟钢筋混凝土建筑中有关梁柱和板元素,假设这些不同类型元素的节点都在同一参考平面,如图1所示。假定参考平面与混凝土板元素的中间层重合,在分析中他的位置不变。
梁与柱有3个节点线元组成,模拟由Bathe提出的弹性梁几何非线性模型为基础。梁柱的截面划分成矩阵式的部分模型,每一部分可能有不同的材料,温度和机械性能。火灾中结构表现的症状包括热膨胀,应力—应变偏移,由于裂缝和冲击造成的混凝土部分破坏,刚构件或者钢筋局部屈服。随着温度的升高,梁柱构件和混凝土及钢的连续性模型的确立会有明显的变化。
在这个程序中一种非线性分层有限元程序可有效的确定钢筋混凝土板在火灾中的结构反映。这个程序是以Mindlin 或者Reissner(厚板)理论为基础。并且几何学与材料非线性都应用到结果中。板可分成混凝土和钢筋层,考虑到温度随着板