对2根钢筋混凝土梁开展高温试验研究,采用合理的材料热工性能和热-力耦合本构关系,应用ABAQUS有限元软件对其温度场和结构变形性能进行三维实体有限元分析,温度场和结构变形性能计算结果与试验结果符合较好.在试验验证的基础上,开展有限元参数分析,探讨保护层厚度及荷载水平对钢筋混凝土简支梁抗火性能的影响.结果表明,钢筋混凝土简支梁的保护层越厚,受拉主筋升温越慢,构件变形延缓,耐火极限增大;荷载水平越大,耐火极限变小。
详情前参考:
一. 本次试验共设计了3根钢筋混凝土梁,梁的截面尺寸均为200 mm×300 mm,梁长4 m,采用单筋矩形截面,构件截面尺寸和配筋如图 2所示.其中1根进行常温加载试验,2根进行高温下静载试验。
二. 纵向受力钢筋采用2根直径为16 mm的 HRB400级的热轧螺纹钢筋;架立钢筋采用2根直径为12 mm的HRB400级热轧钢筋;箍筋采用直径为8 mm的HPB300级热轧钢筋,间距为100 mm;混凝土净保护层厚度为25 mm.钢筋的性能见表 2.本试验采用的混凝土设计强度等级为C30.试验时L1,L2 与L3梁的150 mm立方体试块抗压强度平均值分别为37.7,36.3和33.2 MPa.
1) 常温下钢筋混凝土梁静载试验.常温静载采用三分点加载.梁L1进行常温下静载试验,试验采用分级加载,开裂荷载为24 kN,最后三分点处受压混凝土出现起皮现象,混凝土被压碎,裂缝延伸至梁顶,梁达到极限荷载,进入破坏状态,极限荷载为69.7 kN.图 3为梁L1破坏图.
2) 高温下钢筋混凝土梁三面受火试验.火灾试验采用ISO834标准升温曲线,因实际功率偏小,电炉实际升温曲线与标准升温曲线之间存在偏差.炉腔的实际升温曲线可以拟合为
式中:θ0为试验炉内初始温度(℃);θ为升温t时刻试验炉内空气的平均温度(℃).
高温试验采用构件上堆放砝码的方法施加竖向荷载,同样采用三分点加载,见图 4.高温试验构件采用3面受火,构件内部的温度场采用沿截面不同宽度和高度布置热电偶进行测量,见图 5.采用百分表对构件在高温下的跨中挠度和梁端轴向膨胀进行测量.
抗火试验测试结果显示:在升温过程中,跨中挠度增长呈现出快-慢-快-慢的变化趋势;升温60 min时,构件挠度都在40 mm以上.
在试验过程中,升温时间至15 min左右,构件均有渗水现象,梁侧面开始渗水,同时有劈啪声;至20 min后,梁顶有水蒸气冒出;至45 min时,水蒸气达到最多,整个梁的上表面都被水覆盖,部分位置还有水泡冒出.受火时间在30~70 min时间段内,跨中变形曲线呈现一个较平缓的S型变化,之后挠度增长明显加快;120 min时,构件L3挠度接近100 mm.高温试验构件破坏形态见图 6.
图 7为常温下钢筋混凝土梁跨中挠度与荷载的关系曲线.由图可知,ABAQUS有限元模拟的结果和试验结果吻合较好,可见本文有限元建模中的材料本构关系在常温下是合理的.
图 8为采用ABAQUS非线性有限元法计算得到的梁各测点温度与受火时间的关系曲线,可见实测值与计算值吻合较好.图 9为梁跨中挠度(u)与轴向膨胀(v)的计算曲线与实测曲线比较,可见总体吻合良好.但计算值较实测值略小,可能是由于温度场计算结果较小的缘故.
以上!