预应力混凝土桥梁抗火研究综述

为了促进中国桥梁工程抗火研究领域的全面发展,加快预应力混凝土桥梁的抗火研究,回顾了国内外桥梁火灾的典型事故以及发生特点,强调了油罐车火灾对桥梁结构威胁的严重性,总结了预应力混凝土桥梁的火灾特点,对其抗火研究存在的问题进行了梳理,包括其材料高温特性、高温爆裂现状,火灾下桥梁预应力的存在状态及其试验与测试方法,火灾全过程中预应力混凝土桥梁力学性能的数值模拟与仿真,预应力混凝土桥梁的耐火极限,火灾后预应力混凝土桥梁的损伤评估加固及桥梁抗火研究的工程应用。从性能退化机理与极限垮塌行为、复合单元的研发与计算机仿真技术、收敛点的获取、火灾试验方法与测试技术、损伤评估精准模型和抗火设计方法的提出,五大方面给出了预应力混凝土桥梁抗火研究亟待解决的问题和更新目标,以期对桥梁工程抗火方向的学术研究提供新的视角和基础资料。     

矿渣高性能混凝土剪力墙火灾反应试验研究

针对 3榀矿渣高性能混凝土剪力墙模型在预加轴向压力 (轴压比约为 0 .2 )作用下的火灾试验 ,研究了持荷状态下剪力墙的火灾反应与抗火性能 .通过温度 -变形曲线、温度 -压力曲线和温度场的试验研究与对比分析 ,得出了不同迎火面温度、不同受火时间、有无外掺聚丙烯纤维的矿渣高性能混凝土剪力墙的火灾反应特点 ,研究了矿渣高性能混凝土剪力墙的抗火性能 .在火灾作用下 ,高性能混凝土剪力墙表面虽然会发生龟裂、起皮和局部爆裂等现象 ,但仍具有较好的整体性、稳定性和隔热性 ;加入聚丙烯纤维可在一定程度上改善高性能混凝土剪力墙的抗火性能     

高强钢结构抗火研究进展

高强钢结构的性能与应用是近年来建筑结构领域的热点研究课题之一,其火灾性能至关重要.本文总结国内外高强钢结构的抗火研究现状,包括高强钢高温材料性能、高强钢构件抗火性能以及高强钢用于梁柱连接节点的抗火性能研究等.不同种类高强钢的高温力学性能差异显著,且基于普通钢材料力学性能的现行钢结构设计规范均不能经济可靠地指导高强钢结构防火设计;国内外对高强钢构件及节点的抗火性能研究以理论分析和数值模拟为主,试验研究相对匮乏,远不能满足高强钢结构设计需求.因此,有必要进行更多更深入的试验和理论研究,以完善高强钢结构的设计理论,为相关设计规范修订提供依据.     

约束状况对混凝土结构抗火性能影响的数值分析

利用数值模拟手段探讨了混凝土构件的约束状况对其抗火性能的影响,这些影响包括对温度场、饱和度、蒸汽压力、损伤、应力等。较全面地阐释了材料内部在火灾中发生的现象及其原因,为混凝土结构防减灾设计研究提供更多的借鉴。     

约束状况对混凝土结构抗火性能影响的数值分析研究

根据国内外混凝土结构火灾实验的研究结果,结合作者之前的工作基础,利用数值模拟手段探讨了混凝土构件的约束状况对其抗火性能的影响,这些影响包括对温度场、饱和度、蒸汽压力、损伤、应力等。较全面地阐释了材料内部在火灾中发生的现象及其背后原因,为混凝土结构防减灾设计研究提供更多的借鉴。     

Experimental Study on Damage and Rehabilitation of Reinforced Concrete Continuous Member After Fire

为了研究受火后混凝土连续受弯构件的力学性能,进行了5个混凝土两跨连续板和7个两跨连续梁的系列试验.试验内容包括依据ISO 834标准升温曲线进行的混凝土连续构件受火试验,以及高温后受损构件和修复加固构件的静载试验.试验结果表明,高温对混凝土连续受弯构件的力学性能有明显的影响;随着受火程度的加重,混凝土构件力学性能呈下降趋势.分析试验结果可知,初始刚度降幅最为明显,正常使用承载力的降幅大于极限承载力的降幅;连续板试件的损伤大于连续梁试件.通过置换受损混凝土并采用碳纤维布加固受火后连续构件可使其承载力恢复到甚至超过受火前的状态,加固后初始刚度的提高并不明显.     

火灾后混凝土连续构件的损伤与加固试验研究

为了研究受火后混凝土连续受弯构件的力学性能,进行了5个混凝土两跨连续板和7个两跨连续梁的系列试验.试验内容包括依据ISO 834标准升温曲线进行的混凝土连续构件受火试验,以及高温后受损构件和修复加固构件的静载试验.试验结果表明,高温对混凝土连续受弯构件的力学性能有明显的影响;随着受火程度的加重,混凝土构件力学性能呈下降趋势.分析试验结果可知,初始刚度降幅最为明显,正常使用承载力的降幅大于极限承载力的降幅;连续板试件的损伤大于连续梁试件.通过置换受损混凝土并采用碳纤维布加固受火后连续构件可使其承载力恢复到甚至超过受火前的状态,加固后初始刚度的提高并不明显.     

预应力混凝土梁桥火灾损伤分析与评定

为了分析火灾后预应力混凝土梁桥结构损伤,评定灾后桥梁安全性,本文根据应急管理要求,制定了火灾后混凝土梁桥检测评定工作流程,归纳了重点和难点。首先,通过火场调查、混凝土外观检查和烧失量检测,推定构件表面最高温度。然后,采用有限元法分析桥梁构件温度场,并探讨不同温度下混凝土材料性能损伤劣化规律,提出火灾后混凝土构件截面损伤等效代换方法,给出了截面损伤量化公式。最后,结合桥梁静载试验结果,对火灾后预应力混凝土梁桥安全性能进行评定。结果表明:三面受火下混凝土T梁马蹄处温度场成指纹线分布,且温度沿着深度方向成非线性递减,有限元法计算得到的梁体表面温度与外观检查、烧失量推定结果基本一致。当量升温时间为60 min时,混凝土损伤沿表面深度逐渐递减,预应力钢筋工作性能未发生明显改变,火灾对梁体整体刚度影响不大。本文所提出的构件温度场检测分析方法和截面损伤等效计算方法可为类似桥梁火灾后检测评估提供参考。     

含钢率对混凝土截面温度场分布的影响

将钢筋的圆形截面等效为面积相等的方形截面,采用四边形单元建立配置钢筋、型钢的混凝土截面的二维温度场分析模型,分析纵筋配筋率、型钢含钢率对混凝土截面温度场分布的影响.算例计算结果表明:钢筋对截面温度场分布计算结果影响较小,钢筋的存在使保护层内混凝土的温度降低,核心混凝土的温度升高,忽略钢筋对截面温度场分布的影响是合理的.型钢对截面温度场分布的计算结果影响较大,受火180min内混凝土截面内型钢翼缘中心处和截面形心处温度计算结果最大分别相差17.1℃和98.7℃;高温下型钢混凝土构件的抗火性能研究中,需要考虑型钢对截面温度场分布的影响;型钢混凝土构件火灾灾后性能评定中,核心型钢的力学性能可基本恢复.     

砼柱构件受火后抗压性能试验研究与数值分析①

钢筋混凝土构件在火灾中的变形量是判定筑结构抗火性的重要指标之一。对砼柱构件进行室内火灾模拟试验,并对其主要性能即抗压强度进行了实时监测。最后通过ABAQUS数值软件对砼柱构件受火过程进行了建模分析,证实了室内试验具有较高的准确性。试验研究表明热值的大小与燃烧时间长短与混凝土损伤变形量呈正相关关系,混凝土与钢筋的最危险破坏截面均发生在砼柱边角部位。     

车致火灾作用下预应力混凝土T梁易损性计算方法

为了对车致火灾下预应力混凝土T形截面梁桥进行抗火性能评估,利用响应面分析法建立响应面函数(RSM)来模拟结构的非线性有限元分析,用蒙特卡洛抽样(MCS)来模拟参数的随机性,然后建立了基于响应面函数以及蒙特卡洛模拟(RSM-MCS)的车致火灾易损性分析方法。该方法中将桥梁构件的损伤等级划分为轻微损伤、中等损伤、严重损伤、完全损伤4个等级,用构件的剩余承载力定义其损伤度,并根据已有的试验和理论成果定义不同损伤状态的界定标准;研究火灾和结构自身参数的随机性问题,并基于中心复合试验设计对参数进行抽样,形成试验样本和检验样本,建立基于RSM-MCS的易损性分析方法,并以此开展预应力混凝土T形截面梁的易损性分析。研究结果表明:基于构件剩余承载力的易损性指标满足了不同破坏模式的需求,其界定标准反映了不同构件的损伤状态;火焰温度、火灾燃烧时间及火焰距受火面的距离3个参数能够很好描述火灾对结构作用的随机性;中心复合试验设计显著减少了复杂的有限元计算;在充分考虑火灾和结构不确定因素的情况下,易损性曲线能较好地反映T形截面梁在不同温度及不同损伤状态下的失效概率;车致火灾作用下预应力混凝土T梁易损性计算方法研究可为其灾前风险评估及灾后性能评估提供依据。     

单面受火的矩形钢管混凝土柱截面温度场分析

运用有限元分析软件ANSYS建立了单面火灾作用下矩形钢管混凝土柱截面温度场计算模型,并将计算结果与以往试验结果进行对比,理论分析结果与试验结果吻合良好.在此基础上,对单面火灾和四面火灾作用下矩形钢管混凝土柱截面温度分布形式进行了对比分析,分析表明,单面火灾作用下,矩形钢管混凝土柱截面温度整体较低,材料损伤程度较轻,因而有利于提高构件的抗火性能.但截面温度分布呈单轴对称,产生初始挠度与附加偏心距,明显区别于四面火灾作用下构件的耐火性能.在工程常用范围内,分析了升温时间、含钢率、截面宽度、高宽比、保护层种类及厚度等参数对矩形钢管混凝土截面温度场的影响规律.结果表明:升温时间、截面宽度、保护层种类及厚度对矩形钢管混凝土温度场影响较大.温度场研究结果为单面火灾作用下矩形钢管混凝土柱耐火性能分析和抗火设计提供了理论基础.     

岩相分析综合法检测火灾后混凝土结构的损伤

火灾对建筑物的破坏主要是高温作用,要确定遭受火灾后钢筋混凝土构件的受损伤程度必须确定构件的受火温度。该文介绍了火灾后混凝土结构的检测,采用了岩相分析等方法准确地判定受火温度,并通过多种手段结合对结构受火后混凝土和钢筋的强度进行推定,评定结构受损程度。     

CFRP加固高温损伤RC板力学性能数值模拟

钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)结构在遭受火灾高温后力学性能发生损伤退化.为了探究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)加固高温损伤RC板的力学性能，基于“热学-力学”顺序单向耦合框架，开展了三维数值模拟.在模拟中，首先进行高温条件下RC板传热分析，获得其温度场变化；进而考虑钢筋和混凝土材料力学性能以及二者之间非线性粘结-滑移行为随温度的退化规律，假定外贴CRFP片材与混凝土之间的相互作用为完好粘结，建立CFRP加固高温损伤RC板三维有限元分析模型.在验证了三维数值模型合理性的基础上，分析了不同高温时间损伤RC板外贴CFRP加固后的破坏形态、承载力、挠度、刚度和内部应变等，评估了加固效果，进一步讨论了CFRP条带粘贴数量对加固效果的影响.结果表明：RC板受火后在四点加载下的破坏模式为典型弯曲破坏.随着受火时间增加，损伤更加严重，承载力和刚度等逐渐降低，钢筋和CFRP的应变增大.随着RC板高温损伤后粘贴CFRP层数增加，承载力和刚度增大，钢筋和CFRP的应变降低.此外，当板受火时间达到耐火极限90min...     

非均匀受火的方钢管混凝土柱耐火性能分析

通过选取合理钢材和混凝土热工参数及高温本构模型,基于有限元软件ABAQUS建立了非均匀受火的方钢管混凝土柱耐火性能有限元模型。结果表明升温特性及耐火极限与火灾试验结果吻合较好,验证了模型的正确性,表明该建模方法能够较好的模型钢管混凝土柱的耐火极限,可为该类构件抗火性能分析提供参考。     

钢筋混凝土构件温度场的非线性有限元分析

在火灾作用下，钢筋混凝土构件温度场的确定不仅是构件高温力学性能分析的重要前提，也是制定灾后结构修复加固方案的重要依据.该文利用加权余量法中的Galerkin法和向后差分法，推导并建立了用于钢筋混凝土构件温度场计算的有限元方程.分析中考虑了混凝土热工性能参数随温度变化的特性，并采用热流平衡迭代过程来提高温度场的求解精度.在理论研究的基础上，以Matlab语言为开发平台，编制了钢筋混凝土构件温度场分析程序TFARC(Temperature Field Analysis of RC)，可以进行稳态、线性瞬态以及非线性瞬态温度场的分析.最后，利用程序的数值计算结果与试验数据及有精确解的温度场问题进行了对比研究，结果表明利用该程序进行钢筋混凝土构件的温度场分析是可靠的.     

大空间建筑不同区域受火对平面张弦梁结构响应影响分析

为了获取大空间建筑火灾下张弦梁结构响应规律,分析不同区域受火对该结构响应影响,优化结构抗火设计方法,本文结合大空间建筑特点及火灾特征,考虑张弦梁结构边跨受火、跨中受火及结构全跨整体受火情况,采用有限元法对3种受火条件下的结构响应展开研究,探讨了该结构在火灾高温下的行为响应及不同区域受火对结构响应影响,获取了火灾高温下活动铰支座的侧向位移、拱梁的竖向位移、下弦索的轴向拉力、撑杆的轴向压力,进而提出了适合大空间张弦梁结构抗火设计的优化建议。结果表明,受火灾高温影响,结构变形,右端可动铰支座随拱梁温度升高逐渐向右移动,且幅度较大,为提高结构的安全性能,建议采取一定的措施限制活动铰支座水平位移最大变化量;对比不同工况下结构位移、弯矩及轴力变化,可知不同区域受火致使空间温度场分布不均,该因素对张弦梁结构响应影响较大,张弦梁结构抗火性能研究应予以考虑;基于整体受火条件的结构抗火设计过于保守,缺乏针对性,结构抗火设计应结合实际火灾场景,考虑局部区域受火情况探讨结构行为响应,针对张弦梁结构防火的薄弱部位采取针对性的隔热或防火措施。     

混杂纤维对活性粉末混凝土高温后力学性能的影响

研究了聚丙烯纤维体积掺量为0.3%时,不同钢纤维掺量对活性粉末混凝土高温后轴心抗拉强度、抗压强度、抗折强度、拉压比、折压比的影响及其随温度的变化规律。结果表明:聚丙烯纤维能够有效抑制爆裂、改善活性粉末高温后的性能;混掺聚丙烯纤维和钢纤维能够提高高温后混杂纤维活性粉末混凝土力学性能,500℃之前损伤率较小,500℃之后损伤率较大;混掺2%钢纤维的混杂纤维活性粉末混凝土高温后的拉压比、折压比提高较多,混杂纤维可以优势互补。     

高温下预应力混凝土板温度场及力学性能的数值分析

对高温（火灾）下预应力混凝土简支板利用Ansys数值模拟板的温度场及应变,与已有试验对比得出高温下预应力构件温度场及力学性能通过Ansys软件有限元分析的可行性;对一预应力混凝土板进行数值模拟,得出板在单面受火过程中温度场变化的规律及其跨中应变随时间一温度的变化。     

大空间钢结构抗火性能的简化计算方法

温度场计算是大空间钢结构抗火性能计算的重要环节,已有的计算方法较为复杂。该文提出了火灾升温阶段不同位置构件温度的比例关系与其相应位置空气温度的比例关系相同的假设,并将这一假设推广至降温阶段,实现了火灾升温和降温阶段结构温度场的简化计算。一个平面网架结构的抗火性能计算表明:简化方法与精确方法的计算结果符合良好,可用于大空间钢结构抗火性能计算。