混凝土结构抗火研究综述与建议

为了促进混凝土结构抗火研究的发展,从火灾温度场发展过程、混凝土结构抗火性能与抗火设计、火灾后结构损伤评估与加固修复、混凝土结构抗火性能提高方法等4个方面出发,总结混凝土结构抗火研究成果,指出研究中存在的问题并展望了其发展趋势。从空气、结构温度场2个方面归纳了火灾温度场研究方法,总结不同参数对混凝土材料、构件、结构高温性能的影响规律,分析现有混凝土结构抗火设计方法的应用以及其优点和不足,梳理火灾后结构损伤评估流程,分析火灾后实际工程损伤评估与加固修复案例,并对现有火灾后结构损伤检测和维修加固方法进行总结,最后,从材料及构造2个方面总结提高混凝土结构抗火性能的方法。研究表明:高温下混凝土结构力学性能劣化严重,掺加纤维、调整原材料配合比和应用合理构造措施可提高混凝土结构抗火性能,掺聚丙烯纤维可有效避免高性能混凝土高温爆裂。后续应重点研究高温下大空间混凝土结构温度场分布,材料高温性能随机性对混凝土构件力学性能的影响规律,不同温度-荷载路径及反复升降温对结构和构件高温性能的影响,科学的混凝土结构火灾损伤评估体系,结构抗火可靠度设计理论研究和高性能混凝土结构抗火设计方法等方面。     

火灾后预应力混凝土小箱梁桥承载能力评估

预应力混凝土桥梁火灾事故时有发生,火灾产生的高温对桥梁造成不同程度的损伤,影响梁体的承载能力和正常使用,快速评估火灾后桥梁承载力成为关键问题.以某火灾后预应力混凝土小箱梁桥为例,采用科学高效的检测手段,依据火灾后桥梁构件的损伤特征,提出简便实用的承载能力评估方法,为桥梁后续处置提供科学依据.     

高温下无黏结预应力混凝土中钢绞线预应力的损失

对高温作用下无黏结预应力混凝土中钢绞线的预应力损失进行了试验研究,根据试验结果分析了高温作用下产生预应力损失的主要因素,并建立了高温作用下无黏结预应力混凝土结构预应力损失的计算模型.结果表明:在高温作用下,预应力混凝土结构会产生预应力损失,钢绞线的预应力损失随温度的升高而增大;试件完全冷却后,钢绞线的预应力损失会有所恢复,但钢绞线经历的温度越高,其恢复值就越小.受高温作用的预应力构件产生附加预应力损失的主要因素有高温作用下预应力钢筋的松弛和蠕变、混凝土的高温徐变和钢筋与混凝土的热膨胀差.高温作用下无黏结预应力混凝土结构预应力损失的计算模型可为无黏结预应力混凝土结构的抗火设计和火灾后预应力混凝土结构的评估提供参考.     

火灾后混凝土梁抗剪承载力试验与有限元分析

对一根常温和七根火灾后混凝土梁进行抗剪试验.梁三面受火,采用ISO834标准升温曲线升温2h,待冷却后进行试验.试验主要考虑剪跨比的影响,同时对截面尺寸、受火位置的影响进行了研究.结果表明:火灾(高温)后混凝土梁抗剪承载力降低,刚度下降,极限位移增加;随着剪跨比的增加承载力降低;高温对混凝土受压区影响明显;三面受火状况下,截面高度对高温后混凝土抗剪性能的影响与常温下一致.建议了抗剪承载力有限元计算方法,其结果与试验值吻合较好.     

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。     

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。     

火灾后钢-混凝土组合梁承载能力评价方法

针对钢-混凝土组合梁遭遇火灾后的安全问题,采用火灾场景反演方法和火灾高温场推定方法,建立了火灾后钢-混凝土组合梁的安全评价方法。以三跨钢-混凝土组合连续梁为研究对象,首先,根据遭遇火灾后的现状反演桥梁纵向受火位置、受火长度和空间受火位置,构建火灾场景数据库。其次,通过火灾后钢-混凝土组合连续梁外观特征推测桥梁遭遇火灾时的受火温度,采用ANSYS有限元软件分析了经历不同火灾场景后钢-混凝土组合连续梁的荷载-位移曲线,从而得到其极限承载能力的衰退曲线。最后,对钢-混凝土组合连续梁剩余承载能力与恒载和活载作用下的作用效应对比,定义了承载能力损伤分级评定标准。研究结果表明:钢-混凝土组合连续梁遭遇的火灾温度越高、受火长度越长,承载力损失越大;中跨跨中遭遇火灾后的钢-混凝土组合连续梁损伤程度最低,中支点和边跨跨中遭遇火灾后损伤程度较高;中跨跨中遭遇火灾后仅温度达到1 000℃时部分工况承载能力为Ⅱ级损伤,中支点和边跨跨中在同样受火温度下已有工况承载能力达到Ⅳ级损伤;桥面发生火灾后钢-混凝土组合连续梁损伤程度较低,桥面桥下同时遭遇火灾后损伤程度远高于桥面火灾;桥面遭遇火灾后仅温度达到800℃后部分工况承载能力损伤达到Ⅱ级,桥面桥下同时遭遇火灾后在温度达到900℃时部分工况承载能力已达到Ⅲ级损伤。建立的火灾后钢-混凝土组合梁分类分级安全评价方法简单实用。     

高温下有粘结预应力混凝土简支板变形研究

高温下有粘结预应力混凝土板的耐火极限通常由其变形来控制。本文采用考虑热-力耦合影响的抗火分析方法,对高温下有粘结预应力混凝土简支板的变形开展了非线性分析,研究了计算跨度、预应力筋保护层厚度、荷载水平、预应力度、有效预应力、综合配筋指标等因素对有粘结预应力混凝土简支板由变形控制耐火极限的影响规律,结果表明,计算跨度、预应力筋保护层厚度、荷载水平、综合配筋指标四个因素对板由变形控制的耐火极限影响较大,而预应力度、预应力水平对板由变形控制的耐火极限影响较小。基于分析结果,提出了高温下有粘结预应力混凝土简支板由变形控制耐火极限的简化计算方法。     

强度减损下混凝土箱梁预应力高温损失分析

为明确火灾下混凝土桥梁预应力的衰变幅值与高温之间的变化关系,采用热力耦合计算方法,基于强度损失的虚拟层截面等效原理,设定火灾下混凝土箱梁预应力火灾高温分析工况,研究单面火灾和三面火灾模式下混凝土箱梁的截面温度场分布状况,计算不同延火时间混凝土箱梁预应力沿程(沿桥梁跨径)分布状态,揭示强度减损下混凝土箱梁预应力火灾高温沿程损失规律。研究结果表明:箱梁底板受火,温度大致呈水平层状分布;箱梁底板和两侧腹板受火,温度呈U形分布,并且多面受火时的温度峰值大于单面受火时的温度峰值;随着延火时间的增加,高温层逐渐向内扩展并且扩展宽度递增;延火全程中,相对处于腹板上部,处于腹板下部的钢束预应力沿程损失较大,四分点的预应力损失值较其他部位大,大约是其他部位的1.1倍;跨中的预应力损失增长幅度相对较大,增长幅度最大值约为9.4%;锚下预应力损失值最小;整个延火过程中,沿程预应力损失呈倒W形。     

配筋钢管混凝土柱抗火性能试验研究

为了提高钢管混凝土柱的抗火性能,在钢管混凝土柱中配置纵向钢筋和箍筋.对3根配筋钢管混凝土柱和1根钢管混凝土柱在恒定轴压荷载、两端简支条件下进行了火灾行为的试验研究.研究了配筋钢管混凝土柱的火灾反应、变形和破坏过程,测量了钢管混凝土柱截面温度场,并分析了钢管和配筋对钢管混凝土柱抗火性能的影响.试验表明,试验柱的破坏形态都是弯曲型,高温下配筋钢管混凝土的钢管退出工作后,由内部的钢筋混凝土圆柱承受荷载,其耐火极限比不配筋的钢管混凝土柱大得多,并且纵向钢筋数量多的配筋钢管混凝土柱,其耐火极限比配筋少的要大.对试验结果分析表明,耐火极限的计算值和试验值符合较好.     

基于钢束应力测试的预应力混凝土箱梁承载力评估方法

为了解决在役开裂损伤预应力混凝土箱梁桥安全性能的量化评估问题,在局部预应力钢束有效预应力测试的基础上,开展开裂损伤预应力混凝土箱梁桥承载力评估方法研究。首先,基于参数识别与修正思想,将预应力瞬时损失中的摩阻损失和反摩阻损失值用摩阻损失相关参数表示,提出一种基于表层钢束应力推定内层钢束应力的方法,解决预应力混凝土桥梁钢束沿程实际应力分布的量化表达问题。其次,考虑截面受拉区混凝土抗拉强度影响,推导考虑受拉区混凝土开裂影响的截面分析迭代公式,提出迭代求解方法和步骤。最后,开展3片实梁足尺模型试验,采用预应力钢索张力测试仪对开裂损伤的试验梁跨中截面表层钢束进行了应力测试,并将提出的方法应用于钢束有效应力预测,得到了跨中截面所有钢束的应力推定值。进行了桥梁极限承载力试验,得到全过程加载下的结构受力与变形实测值及破坏模式,并将理论算法与试验测试结果进行对比分析。研究结果表明:各级荷载下的试验梁应变理论计算值与试验测试值具有较好的一致性,提出的钢束应力预测方法和截面分析方法能准确反映开裂损伤预应力混凝土箱梁的力学特征,可用于开裂损伤的预应力混凝土箱梁桥运营期间承载能力的量化评估。     

油罐车火灾下考虑混凝土高温爆裂的PC箱梁承载能力

针对油罐车火灾对预应力混凝土桥梁的破坏过程,选取桥梁工程建设中应用较为广泛的预应力混凝土(PC)箱梁为研究对象,建立油罐车火灾下预应力混凝土箱梁桥混凝土高温爆裂的"三级指标",并设定了相应油罐车火灾下混凝土的爆裂场景,采用单元生死技术模拟混凝土高温爆裂特征,分析考虑混凝土高温爆裂的预应力混凝土箱梁截面温度场的完整分布形态,计算混凝土不同高温爆裂指标下的预应力混凝土箱梁极限承载能力,拟合并建立计算公式。研究结果表明:截面关键点的温度曲线呈三阶段上升趋势;爆裂导致混凝土截面的温度在传导过程中产生突变,温度分布以爆裂后截面形态分层递进;混凝土的高温爆裂使钢束、钢筋的强度显著下降;混凝土的爆裂深度越大,正截面抗弯承载能力下降越快;混凝土发生重度爆裂,延火时间180min时,箱梁跨中截面的抗弯承载能力从未爆裂时的60.73%降至14.87%,箱梁L/4截面(L为跨径)的抗弯承载能力从未爆裂时的64.37%降至19.37%;混凝土高温爆裂不同深度下预应力混凝土箱梁桥抗弯承载能力衰变呈现多阶段特征。混凝土爆裂对预应力混凝土箱梁的截面温度分布和抗弯承载能力影响显著,提出的考虑爆裂的承载能力计算公式简单实用。     

火灾作用下预应力连续梁桥的力学性能分析

为研究火灾对预应力连续梁桥力学性能的影响,以福建某受火连续箱梁桥为背景,参考桥梁火灾的现场资料,确定模型的边界条件,选取适当的混凝土、预应力筋本构模型,考虑混凝土及钢筋热工参数随温度的变化,通过对火灾时桥梁的瞬态温度场分析,得出温度随时间和空间的变化,并分别比较在自重作用下以及车道荷载作用下火灾前和火灾时桥梁的力学性能变化,研究火灾对桥梁中混凝土、预应力筋等材料的影响.结果表明,对大跨度桥梁结构来说,火灾后,结构的传热速度相对较慢,热量从受火面向非受火面逐渐扩散,温度呈平流状分布;火灾发生后,混凝土材料强度的损失要远远高于预应力筋强度的损失.     

空心板梁桥火灾后承载力评估

为了研究火灾后混凝土桥梁的力学性能,以火灾后某钢筋混凝土空心板桥为工程背景,根据火灾后该桥混凝土的颜色、裂缝、脱落情况及锤击反应对桥梁进行了火灾鉴定.为评估火灾后桥梁的承载能力,还测量了该桥受火梁段在静力试验荷载作用下的挠度值、应变值及裂缝的分布状况.鉴定及试验结果表明桥梁刚度有所下降,但桥梁整体仍处于弹性阶段,并不影响结构安全.为保证桥梁长期运营的安全性,建议对梁底损伤部位进行处理.     

高温后预应力钢绞线性能的试验研究

试验研究预应力钢绞线在经历高温作用并冷却至室温后的力学性能。考虑不同冷却方式对其性能的影响，得到经历不同高温后钢绞线的极限强度、名义屈服强度、弹性模量和延伸率及其变化规律，给出力学模型。为过火预应力混凝土结构的剩余承载力计算及损伤评估提供依据，具有较高实用价值。     

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。     

混凝土梁桥过火后预应力损失

火灾中产生的高温对预应力结构有较大影响,因降低结构的有效预应力,导致过火后受拉外缘压应力储备降低,结构提前开裂,影响结构使用性能和耐久性。为快速确定预应力混凝土梁过火后的有效预应力,以某省过火后拆除的32片梁为样本,通过实测过火后混凝土梁桥钢绞线永存应力,获得剥落深度比与预应力损失比的回归公式,选用极限承载能力试验及有限元数值分析验证该公式的适用性。结果表明,火灾后梁板预应力钢束出现应力损失,当混凝土剥落深度超过1/3钢绞线净保护层时,预应力损失不可忽略;先张法预应力混凝土结构,抗火设计应适当提高钢绞线保护层厚度;当混凝土剥落深度超过2/3钢绞线净保护层时,预应力损失率达10%,严重影响结构刚度。     

预应力钢骨混凝土受弯构件承载力计算

针对预应力钢骨混凝土结构的试验和理论研究还存在差异的问题,研究了预应力钢骨混凝土受弯构件的受力性能,介绍了现有技术条件下预应力钢骨混凝土构件的施工方法,根据其截面形式和受力特点,分析构件在极限状态下的主要破坏模式及受压区混凝土高度范围.针对不同的破坏模式建立中和轴经过钢骨腹板的预应力钢骨混凝土梁的极限抗弯承载力计算公式,并将计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好.     

碳绞线体外预应力在桥梁中的应用

为解决混凝土桥梁中钢筋锈蚀引发的问题,采用CFRP筋中的碳绞线作体外束施加预应力.探讨了碳绞线体外预应力混凝土桥梁的结构特点和构造措施,以及该类桥梁中挠度、延性及抗弯、抗剪的计算分析方法.据此在淮安市的何圩桥中研究设计了一跨碳绞线体外预应力混凝土简支梁,并利用有限元法等对其延性和抗弯承载力进行了分析.研究表明,该桥的筋束应力、裂缝宽度、挠度、延性及极限抗弯承载能力各项指标均能满足设计要求.碳绞线体外预应力桥梁发展前景看好.     

受火(高温)后混凝土的随机损伤本构关系

结合受火(高温)后混凝土的损伤形态和破坏特征,研究了基于损伤随机演化下受火(高温)后混凝土受拉和受压损伤发展的随机演化规律.引入弹簧损伤单元模型,考虑混凝土初始损伤、受火损伤及裂缝闭合下损伤愈合等因子,利用Weibull分布函数进行推演,建立了受火后混凝土单轴抗拉、单轴抗压的随机损伤本构关系模型.通过计算结果与试验数据的对比验证,从理论结果而非试验数据的拟合上解释了受火(影响)后混凝土应力-应变的四大特点,证实了运用随机损伤本构关系反映受火后混凝土破坏机理的可行性.