约束混凝土梁的升降温全过程轴力分析

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发布时间：2021-09-05

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约束混凝土梁的升降温全过程轴力分析
吴波，乔长江
(华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640)
摘要：利用SAFIR程序开展了约束混凝土梁的升降温全过程轴力分析，考察了轴向约束刚度比、截
面宽度、全截面配筋率、升温时间等参数对Is0 834标准升降温作用下约束混凝土梁的轴力影响规
律，并与单调升温时的相应规律进行了对比；通过对288种工况的计算分析，给出了该类构件轴力
比的实用计算方法。研究结果表明：对于轴向和转动约束梁，无论是单调升温还是先升温后降温，
轴力比总体都呈现出先逐渐增大而后平缓变化，然后以较大速率降低的趋势，主要区别在于先升温
后降温时平缓段的持续时间比单调升温时更长；对于先升温后降温的轴向和转动约束梁，转动约束
刚度比、截面高度、梁跨度和荷载比对轴力比影响很小，而轴向约束刚度比和全截面配筋率越大或
截面宽度越小，轴力比峰值就越大；考虑到实际工程情况，可近似忽略混凝土保护层厚度变化对轴
向和转动约束梁轴力比的影响。
关键词：钢筋混凝土；约束梁；轴力；升温段；降温段
中图分类号：TU375 文献标志码：A
Axial Force Analysis of Restrained Concrete Beams During
Heating and Cooling Phases
WU Bo，QIAO Chang—j iang
(State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of
Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China)
Abstract：Using the program SAFIR，the influences of some parameters，including axial restraint
stiffness ratio， section width， reinforcement ratio， and heating time， etc． on axial forces in
restrained concrete beams exposed to ISO 834 standard fire with cooling phase，which compared
with those fire without cooling phase were analyzed．Based on the sim ulation results of 288 cases，
a practical calculation method for axia1 forces in restrained concrete beams subj ected to fire with
cooling phase was proposed．The results show that for axially-and—rotationally restrained beam s
in fire with or without cooling phase，the axial force ratio increases gradually first，then varies
gently，and finally decreases quickly，but the gentle variation stage related to fire with cooling
phase is longer than that without cooling phase；the influences of rotational restraint stiffness
ratio，section height，beam span and load ratio on the axial force ratio of axially—and—rotationally
restrained beams subj ected to fire with cooling phase are limited，while the peak value of the axial
force ratio increases with increasing of the axial restraint stiffness ratio and reinforcement ratio or
收稿日期：2009—12—05
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAJ03A03 12)；国家自然科学基金重点项目(50738005)；
教育部科学技术研究重点项目(108106)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060561014)；
亚热带建筑科学国家重点实验室重点研究项目(2008ZA10)
作者简介：吴波(1968一)，男，重庆市人，研究员，博士研究生导师，工学博士，E—mail：bowu@scut．edu．cn。
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第1期吴波，等：约束混凝土梁的升降温全过程轴力分析 13
with decreasing of section width；and the effect of concrete cover on the axial force ratio of
axially—and—rotationally restrained beam s can be neglected approximately．
Key words：reinforced concrete；restrained beam ；axial force；heating phase；cooling phase
0 引言
以往人们评估结构抗火性能大多只是针对单独
构件进行，忽略了结构连续性和约束的影响，但实际
火灾调查与明火试验结果表明：结构中构件的火灾
行为与单独构件相比存在较明显的差别。为此，不
少研究人员通过从原结构中取出一个子结构或对构
件端部施加约束的方法近似考虑火灾中相邻构件之
间的相互作用，如Dwaikat等提出了高温下约束
混凝土梁的数值分析模型并考虑了混凝土的爆裂，
研究表明；轴向和转动约束可使混凝土梁的耐火性
能得以提高。Wu等[2 和卢锦钟等口编制了高温下
考虑几何非线性的混凝土结构数值分析程序，考察
了轴向和转动约束对混凝土梁耐火性能的影响，研
究表明：轴向约束刚度越大，梁的轴压力和跨中挠度
就越大；转动约束对梁的轴力影响很小，但却使梁端
弯矩在初始阶段增大。值得指出的是，各国有关约
束构件的研究几乎还停留在升温阶段，而实际火灾
却只在有限时间内升温，随后就会由于可燃物消耗
殆尽而降温。随着研究的深入，积极探索升降温全
过程构件及结构的火灾行为与耐火性能无疑更为合
理。Ellingwood等对混凝土外伸简支梁进行了
升降温全过程的耐火试验，Cai等和Bratina等 ]
分别采用广义梁柱单元和基于应变的平面梁单元对
文献[1]中所提试验进行了数值分析。
目前，有关约束混凝土梁升降温全过程的试验
研究和数值分析均尚未见有文献报道。鉴于此，本
文中笔者采用比利时Liege大学开发的抗火分析软
件SAFIR，以约束混凝土梁作为研究对象，着重探
讨该类构件升降温全过程的轴力变化情况以及主要
参数的影响规律，给出了轴力的实用计算方法。
1 程序验证
采用比利时Liege大学开发的抗火分析软件
SAFIR进行数值计算，以文献[7]中的试验约束混
凝土梁RCB1～RCB4作为研究对象，梁长4．4 m，
截面尺寸250 ITlm×400 mm，硅质骨料混凝土的轴
心抗压强度37．6 MPa，梁端施加有定常轴向和转动
约束。不同试件对应的轴向约束刚度比、转动约束
刚度比和荷载比的具体数值见文献[7]。试验过程
中梁三面受火，炉内温度一时间曲线的升温段遵循
ISo 834标准升温曲线并持续60 min或120 min，
随后自然降温。试验结果表明：试件轴力在整个升
降温过程中呈现出先较快增长而后逐渐减小并渐趋
平缓的趋势，降温结束后仍存在明显的残余轴压力；
荷载比在0．3～0．5之间变化对试件轴压比峰值的
最大影响幅度约为10 ；试验过程中各试件的最大
轴力比为0．05～O．10。
数值计算时，升温阶段钢筋和混凝土的热工参
数分别采用EC3[8 和EC2[9 的相关公式确定；降温
阶段钢筋的热膨胀变形和混凝土导热系数采用文献
[1O]建议的方法确定，混凝土热膨胀变形由文献
[11]确定，其他热工参数采用升温阶段对应的公式
逆向求取。升温阶段钢筋的力学性能直接采用EC3
的相关公式确定；降温阶段钢筋的弹性模量认为可
逆，强度则采用文献[8]建议的方法确定。升降温阶
段混凝土的力学性能采用EC2和EC4[】建议的公
式进行确定。
图1为试件RCB1～RCB4的轴力计算结果与
实测结果的对比。从图1可以看出：计算曲线与实
测曲线总体吻合较好，这表明利用SAFIR进行该类
约束构件的高温轴力分析是可行的。
2 参数分析
2．1 计算模型
图2为约束混凝土梁的计算模型，其中q为混
凝土梁受到的均布荷载，z为梁的跨度，K。、K 分别
为梁端轴向和转动约束刚度。一般来说，硅质骨料
混凝土的抗火性能比钙质骨料混凝土更弱，且前者
的应用也较为普遍，因此本文中以硅质骨料混凝土
作为研究对象。作为初步探讨，笔者仅考虑三面(底
面和2个侧面)受火矩形截面梁，计算过程中环境温
度遵循／SO 834标准升降温曲线。
2．2 影响规律
分析过程中考虑的主要参数包括：转动约束刚
度比，一K ／(4E 。Ib／z)，E 。为混凝土的常温
弹性模量，J 为梁截面惯性矩；轴向约束刚度比届，
fl,一K-／( 。A ／z)，A 为梁横截面面积；截面宽度
b；截面高度h；梁跨度z；荷载比，即常温下简支梁
跨中弯矩与截面抗弯承载力之比；全截面配筋率J0；