专利名称：一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法
技术领域：
本发明涉及一种混凝土构件的性能分析方法，更具体地涉及一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法。
背景技术：
我国是世界上火灾灾害最严重的国家之一，因此新建和既有建筑在火灾发生时是否能够不倒塌是结构设计人员的重要任务，而钢筋混凝土结构是目前我国工业和民用建筑结构的主要型式，其抗火灾能力是保障人民生命财产安全的重要指标。大量既有钢筋混凝土结构原设计的依据标准过低，加之耐久性及结构已有损伤等因素的影响，如何评估建筑结构的抗火灾能力成了非常重要的课题，迫切需要发展一套方法来定量评估抗火灾能力， 使得抗火灾能力不足的建筑结构能及早加固或拆除。《混凝土结构设计规范》GB50010-2002的5. I. 2条规定结构可能遭遇火灾、爆炸、撞击等偶然作用时，尚应按国家现行有关标准的要求进行相应的结构分析。但现行的国家标准比如《建筑设计防火规范》GB 50016-2006都是一些构造性的要求，是以“防”为目的的要求，对于混凝土结构在遭受火灾作用时的力学性能如何评估，则还没有相应的条款进行指导。相对而言，欧洲规范这方面则要成熟一些，已有了些指导性的内容。比如EN 1990 2002规定结构的火灾设计分析应在EN 1991-1-2规定的火场基础上进行；应考虑结构在高温状态下的力学特性。除了应用表格数据或实验结果外，还应进行结构整体分析、子结构分析和杆件分析。结构构件在高温状态下的力学特性应为非线性。结构分析模型可以是单个构件，也可以考虑在火灾时构件间的相互作用。而EN 1991-1-2 :2002则规定结构的火灾设计分析应按下面的几个步骤进行1、 选择合适的设计火灾场景，2、确定相应的设计火灾,3、计算结构构件内部的温度分布，4、计算结构在火灾作用下的力学性能，另外还要考虑结构的火灾作用属于异常作用，常温下的荷载作用，若在火灾发生时还起作用，则必须同时考虑，不考虑由于燃烧引起的某些外部荷载值变小的情况，雪荷载不同时考虑，操作荷载引起的作用不必同时考虑，其他异常荷载作用不同时考虑，由于火灾引起的附加作用应同时考虑。EN 1992-1-2 :2004规定了混凝土在高温情况下的应力应变关系及相关的热力学性能参数的图表和计算公式，并提供了高级计算方法的原则性条款。该方法将进行一个结构处于火灾作用下的仿真分析，其它潜在的破坏模式不包括在该方法的范围内(比如剥落、受压钢筋的局部屈曲、剪力和粘接破坏和锚固件的破坏等)，该方法适用于任何形式的截面，截面的温度分布可不考虑钢筋的影响，结构潮湿度的影响可忽略，该计算方法应考虑材料的力学特性随温度的变化，该计算方法应以结构的力学基本原理和假定为基础，由于温度上升及温差引起的应力应变应考虑，在极限状态下的变形应进行限制，应考虑结构几何非线性的影响，单个构件、部分结构或整体结构的承载力计算应用塑性分析方法，直接暴露于火场的截面受压区，应校核处理混凝土的破裂或保护层的剥落情况。
上述都是指导性的原则性的内容，具体的计算方法要靠工程设计人员自己去把握处理，难度很大，也不具备普及性的应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法，其中结构的火灾效应可以不必去求得其内力再参与结构的内力组合，而可以通过把直接求得的温度应变与常规计算得到的应变相叠加的方式来处理，这样不但可以避免用有限元模型进行非线性计算的难点，还可以考虑混凝土和钢筋的随温度变化的非线性特性，得到较为合理的结
果O本发明采用如下技术方案来实现，提供一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法，包括以下步骤(I)确定预应力混凝土外罐截面配筋设计的基本信息a)利用第一长度测量装置确定截面高度值h和截面宽度b，高度值h单位为mm，宽度b为单位宽度；b)利用第二长度测量装置确定截面底部和顶部混凝土保护层的厚度C1和C2c)确定混凝土在常温下和高温下的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量E。、轴心抗拉强度标准值ftk和轴心抗压强度标准值f。，；d)确定普通钢筋在常温下和高温下的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量Es和强度标准值fyk ；e)把截面高度h等分为XN等分，每等分的长度为= ^每个等分段的中心点到截面底部的距离为=.
(2)获取混凝土截面的钢筋布置方案获取该计算截面纵向钢筋的布置方案，得到截面宽度范围内底部钢筋的直径Cl1和面积Asl、顶部钢筋的直径d2和面积As2，进而得到截面底部钢筋中心到截面底边的距离Clca 和截面顶部钢筋中心到截面顶边的距离(1。2，按下列公式计算=Clel = Ci+d/2，dc2 = c2+d2/2(3)获取混凝土截面在火灾作用下的温度分布利用温度传感装置，并根据热力学分析得到截面积分点处的温度分布值TtlQ)，i 为沿截面厚度分布的积分点，然后根据线性插值的原则求截面分段中点处的温度值T(k) (k =1，XN)、混凝土底部边缘的温度Tca、顶部边缘的温度Τ 、底部钢筋的温度Tsl和顶部钢筋的温度Ts2。(4)获取混凝土截面在火灾作用下的有效应变根据热效应分析得到截面积分点处的有效应变值ε C1Q)，i为沿截面厚度分布的积分点，然后根据线性插值的原则求混凝土截面的底部应变εε1(Τ)、顶部应变L2(T)及等分位置的应变ε。(T)，钢筋的底部应变Ssl(T)和顶部应变ε s2 (T)，混凝土的等分段中点应变 EiCTMi = L XN) ο(5)获取混凝土截面轴力设计值Nd和弯矩设计值Md根据极限承载力状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)的荷载组合规则计算得到该截面的轴力设计值Nd、弯矩设计值Md。(6)计算混凝土截面各个位置在轴力Nd和弯矩Md作用下的应变根据截面在常规工况作用下的轴力设计值Nd、弯矩设计值Md和步骤(2)确定的配筋方案，采用钢筋和混凝土常温下的应力-应变关系计算得到混凝土截面的底部应变 ε cl (F)和顶部应变ε。2 (F)、钢筋的底部应变ε sl (F)和顶部应变ε s2 (F)，混凝土的等分段中点应变 ε i(F) (i = 1，XN)。(7)计算温度应变产生的附加轴力Nt和附加弯矩Mt根据应变叠加的原则，把截面各个位置对应的由轴力Nd和弯矩Md产生的应变 ε (F)与由温度效应产生的应变ε (T)进行叠加，得到该位置处总的应变ε·，并依据混凝土和钢筋的应力-应变关系，计算增加的温度效应应变ε (T)对应的新增应力，进而得到附加轴力Nt和附加弯矩Μτ。其计算一般式如下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 ■为混凝土的等分段中点总应变，esl ·为底部钢筋总应变，es2 _为顶部钢筋总应变；f；h0为高温混凝土的应力-应变关系函数，fsh()为高温钢筋的应力-应变关系函数。(8)计算总的轴力Nsum和弯矩Msum根据内力叠加的原则，把常规荷载工况产生的轴力Nd和弯矩Md与温度效应产生的附加轴力Nt和附加弯矩Mt进行线性相加，得到总的轴力Nsum和弯矩Msum Nsum = Nd+NT, Msum = Md+MT在这个总的轴力和弯矩作用下，截面会进行应力重分配。(9)给混凝土截面底部和顶部总应变赋初始值和限制值计算步骤需要先给混凝土截面的底部应变L1 ■和顶部应变L2 sum赋予初始值及取值范围
权利要求
1.一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法，其特征在于步骤如下(1)确定混凝土截面配筋设计的基本信息a)利用第一长度测量装置确定截面高度值h和截面宽度b，高度值h单位为mm，宽度b 为mm ；b)利用第二长度测量装置确定截面底部和顶部混凝土保护层的厚度C1和C2；C)确定混凝土在常温下和高温下的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量E。、轴心抗拉强度标准值ftk和轴心抗压强度标准值f。，；d)确定普通钢筋在常温下和高温下的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量Es和强度标准值fyk ；e)把截面高度h等分为XN等分，每等分的长度为ΔΑ= 4，每个等分段的中心点到截XN面底部的距离为x(/) = ^(2/-l);2XN(2)获取混凝土截面的钢筋布置方案获取该计算截面纵向钢筋的布置方案，得到截面宽度范围内底部钢筋的直径Cl1和面积 Asl、顶部钢筋的直径d2和面积As2，进而得到截面底部钢筋中心到截面底边的距离屯和截面顶部钢筋中心到截面顶边的距离(1。2，按下列公式计算=Clel = Ci+d/2，dc2 = c2+d2/2 ；(3)获取混凝土截面在火灾作用下的温度分布利用温度传感装置，并根据热力学分析得到截面积分点处的温度分布值TtlQ), i为沿截面厚度分布的积分点，然后根据线性插值的原则求截面分段中点处的温度值T(k) (k = 1，XN)、混凝土底部边缘的温度Tca、顶部边缘的温度Τ 、底部钢筋的温度Tsl和顶部钢筋的温度Ts2 ；(4)获取混凝土截面在火灾作用下的有效应变根据热效应分析得到截面积分点处的有效应变值^a)，i为沿截面厚度分布的积分点，然后根据线性插值的原则求混凝土截面的底部应变εε1(Τ)、顶部应变L2(T)及等分位置的应变ε。(!0，钢筋的底部应变Ssl(T)和顶部应变ε s2 (T)，混凝土的等分段中点应变 ε i(T) (i = I, XN)；(5)获取混凝土截面轴力设计值Nd和弯矩设计值Md；根据极限承载力状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)的荷载组合规则计算得到该截面的轴力设计值Nd、弯矩设计值Md ；(6)计算混凝土截面各个位置在轴力Nd和弯矩Md作用下的应变根据截面在常规工况作用下的轴力设计值Nd、弯矩设计值Md和步骤(2)确定的配筋方案，采用钢筋和混凝土常温下的应力-应变关系计算得到混凝土截面的底部应变ε cl (F)和顶部应变ε。2(的、钢筋的底部应变Ssl(F)和顶部应变ε s2 (F)，混凝土的等分段中点应变 ε i(F) (i = I, XN)；(7)计算温度应变产生的附加轴力Nt和附加弯矩Mt；根据应变叠加的原则，把截面各个位置对应的由轴力Nd和弯矩Md产生的应变ε (F)与由温度效应产生的应变ε (T)进行叠加，得到该位置处总的应变ε·，并依据混凝土和钢筋的应力-应变关系，计算增加的温度效应应变ε (T)对应的新增应力，进而得到附加轴力Nt和附加弯矩Mt ;其计算一般式如下
2.根据权利要求I所述一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法，在步骤(5)中， 轴力设计值Nd的符号为使截面受拉为正受压为负，弯矩设计值Md的符号为使截面顶部受拉底部受压为正和顶部受拉底部受压为负。
全文摘要
本发明提供一种混凝土构件在火灾作用下的性能分析方法，本发明通过把直接得到的混凝土构件在火灾情况下的温度应变与常规荷载作用计算得到的应变相叠加的方式来进行截面的应力应变计算，这样不但可以避免用有限元模型进行结构整体非线性计算的难点，还可以把混凝土和钢筋随温度变化的非线性特性在截面计算中给体现出来，把结构的整体非线性分析化简为单个构件的非线性计算。不但可以得到较为合理的结果，还能大大提高计算效率。
文档编号G01N33/38GK102590484SQ20121001924
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者张素枝, 李金光, 白改玲, 郑建华 申请人:中国寰球工程公司