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混凝土剪力墙抗火性能及火灾后抗震性能研究

刘桂荣  
【摘要】: 近年来,随着高层建筑的日益增多,钢筋混凝土剪力墙结构或以剪力墙为主的结构体系以其良好抗震性能被广泛采用。目前,国内外广大研究人员对混凝土剪力墙常温下的力学性能开展了一系列研究,取得了丰硕的研究成果,而对其高温性能的研究尚不多见。火灾作用下,剪力墙不仅承受竖向荷载作用,还充当防火墙的功能。因而,针对荷载与高温共同作用下的剪力墙力学性能展开研究具有实际工程意义。另外,为了对火灾后的钢筋混凝土结构进行经济、有效的修复加固,需要首先确定其损伤状况。关于混凝土剪力墙火灾后的抗震性能研究,对于地震区火灾后剪力墙结构的损伤评估和加固无疑是十分重要的。本文结合高等学校博士学科点专项科研基金资助项目:剪力墙持载下抗火性能及火灾后抗震性能试验研究(200801410005),分别对钢筋混凝土剪力墙高温下的力学反应及高温后的抗震性能进行了试验研究和理论分析,具体工作如下: 1.进行了11榀中等高度普通混凝土剪力墙单面受火-自然降温试验研究,研究了受火时间、轴压力及配筋率对剪力墙火灾反应的影响。试验结果表明:(1)火灾与轴压力的共同作用比单独火灾作用更易导致混凝土的爆裂,配筋率大的试件更易发生混凝土的爆裂或爆裂越严重。(2)点火后20min以内,轴压力及配筋率对剪力墙平面外挠度影响不大;而20min以后,剪力墙平面外挠度的增加速率随着轴压力和配筋率的增加而减小;熄火后,剪力墙平面外挠度先稍有增加,而后迅速下降,且其下降速率随着轴压力和配筋率的增加而减小。(3)受火90min以内,剪力墙可以满足完整性、稳定性、隔热性的耐火要求。 2.利用有限元分析软件对单面受火钢筋混凝土剪力墙的温度场进行了计算,分析了混凝土热工参数、迎火面对流系数、迎火面综合辐射系数、升温曲线及混凝土含水率对剪力墙截面温度场的影响。结果表明:(1)已有文献给出的混凝土热工参数对火灾下混凝土剪力墙内部温度场影响不大。(2)迎火面对流系数和综合辐射系数以及升温曲线对混凝土剪力墙温度场影响显著,且距离迎火面越近的点,其温度受上述参数变化的影响越显著。(3)随着混凝土含水率的增加,相同位置处混凝土温度计算值逐渐降低。 3.利用条带法,对轴压状态下单面受火钢筋混凝土剪力墙进行了非线性分析。计算中采用温度-应力耦合的混凝土本构关系,编制了相应的计算机程序。通过程序计算得到了剪力墙跨中平面外挠度-时间曲线,以及跨中截面应变分量和应力沿墙厚度分布规律。计算结果表明:(1)混凝土热膨胀应变从迎火面至背火面呈非线性递减。(2)应力引起的应变、瞬态热应变和高温徐变沿横截面均呈抛物线的形式分布,且各应变分量在迎火面和背火面均为压应变,而在截面中间一段区域内,随着轴压比的不同呈现出不同的特征。(3)应力与应力引起的应变沿横截面变化规律一致,且迎火面压应力值明显小于背火面,相同截面位置处压应力值随着轴压比的增加而增加。(4)根据截面应变、应力分布规律,解释了受火试验过程中剪力墙迎火面及背火面出现裂缝的原因:迎火面出现的主要是温度裂缝,而背火面出现的主要是拉应力形成的裂缝。 4.对11榀已经遭受火灾作用和4榀未遭受火灾作用的普通钢筋混凝土剪力墙进行了低周反复荷载试验。分析了受火时间、配筋率及轴压比对混凝土剪力墙破坏形态、承载能力、延性、耗能及刚度退化的影响规律。试验结果表明:(1)常温下具有明显主斜裂缝破坏特征的剪力墙试件,在高温后其破坏形态随着受火时间的延长和轴压比的增加,主斜裂缝的破坏特征变得不明显甚至完全消失。(2)火灾作用后钢筋混凝土剪力墙的承载能力及延性明显降低,耗能能力和刚度大幅下降,而适当增加配筋可以减缓火灾作用对剪力墙抗震性能的损伤。(3)无论是常温下还是火灾作用后,随着轴压比在一定范围内增加(最大设计轴压比为0.47),剪力墙承载能力和刚度逐渐提高,但位移延性和耗能能力逐步降低,其总体抗震性能变差。(4)与单独火灾作用后的混凝土剪力墙相比,火灾和轴压力共同作用使得高温后剪力墙试件耗能能力降低更多。(5)高温后混凝土剪力墙的剪切变形比常温下更明显,且轴压比越大、配筋率越低,差别越明显。 5.基于修正压力场理论(MCFT)并考虑高温后钢筋与混凝土材料的力学特性,建立了火灾后钢筋混凝土剪力墙在弯、剪复合作用下的截面分析模型,编制了相应的计算分析程序。利用编制的计算程序得到了常温下及高温后钢筋混凝土剪力墙的抗剪承载力、截面剪力-平均剪切角关系曲线,以及水平钢筋的应变,通过与试验结果的比较验证了该模型的可靠性。利用该计算程序进一步分析了火灾作用以及配筋率对剪力墙水平钢筋应变的影响,得到的规律与试验结果具有一致性。


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