浅谈钢筋混凝土框架的抗火性能

本文小编参考了国内外大量钢筋混凝土框架抗火试验，并考虑实际火灾炉尺寸，确定计算模型为四层四跨三榀的混凝土框架，抗震设防烈度设为8度 0.2g,场地类别为二类，设计地震分组为地租，确定跨度为5.4m,底层层高3.9m，其余层层高3.6m,总层高14.7m,混凝土强度等级C30，纵筋采用HRB400，箍筋HRB335。荷载计算时，考虑100mm厚的楼板，恒载取5KN/m2 ，活载取2KN/m2。  

 

将设计好的钢筋混凝土框架通过PKPM软件进行验算，确定截面和配筋参数如下表所示：  

 

根据火灾发生的场景不同，选择底层中柱受火的代表性火灾工况进行分析，即底层中柱为子结构模型，如下图火灾工况图。  

 

（1）传统单柱模型：如图一所示，选取3.25m的单柱模型，柱顶世家1270KN的竖向荷载的条件下四面受火3h。  

（2）全实体单元平面框架模型：如图二所示，将多尺度框架模型中的梁单元改为和节点单元相同的实体单元，并将连接方式改为绑定约束，其余边界条件保持不变。  

（3）多尺度平面框架模型：如图三所示，采用计算效率较高的宏观梁单元和计算精度较高的微观实体单元通过MPC Beam连接的方式，实现梁单元与实体单元的单点对多点的柔性耦合，在能达到更高精度的同时提升计算效率。本文采用基于ABAQUS平台的钢与混凝土结构纤维模型软件，材料模型定义选用混凝土模型，为梁单元定义混凝土塑性损伤本构。框架底层柱柱底采用固结，约束了水平位移和转角。第一个分析步Step-1为对钢筋混凝土框架施加恒定的集中荷载和均布荷载，第二个分析不Step-2导入预先完成的温度场计算结果，当柱的轴向压缩变形速度超过3h(mm/min)，即判定结构失效而达到耐火极限，其中h为柱的受火高度，以m计。  

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框架多尺度建模  

 

本文所研究的抗火混合试验是基于多尺度建模方法进行的，将宏观和微观单元进行有限元耦合。整体结构分为数值子结构和物理子结构，其中原本需要进行试验的试验子结构用有限元模拟的方式进行数值模拟。主要运用多尺度建模方法的是整体结构部分以及混合模拟试验中的数值子结构部分，利用宏观单元—梁单元与微观单元—实体单元建立结构反应中线性或弱非线性的部分，用单一微观单元—实体单元建立结构反应中非线性较强的部分。本文框架模型底层受火中柱作为试验子结构用实体单元建立模型，去除底层受火柱后的剩余部分用梁单元和实体单元相结合的多尺度方法建立模型，其中考虑后期抗震分析的需要，预先把将在地震工况中非线性反应较强、容易出现塑性铰的节点区域用微观实体单元建模，其余梁柱部分用宏观梁单元建模。  

 

多尺度建模的主要难度为如何在不同单元之间进行顺利的耦合，使之能发生协调变形，产生正确的结果。对于不同尺度的单元存在边界节点上自由度的不同，如果要将他们连接，需要对其自由度进行处理，以不同的插值方式进行单元耦合。  

 

 温度场与热力耦合模型建模  

 

1. 温度场模型  

 

a. 分析步建立  

采用瞬态的热传递计算，建立持续时间长度为10800秒的钢筋混凝土框架底层中柱抗火性能分析模型，最大增量步数为1000，初始增量步为10，最大为60，以一分钟为一个最长步长，每载荷步允许的最大温度改变值为20，每载荷步允许的最大辐射改变值为0.1，采用直接方程求解器，不经历迭代。  

b. 边界条件定义：热传递的方式主要由：热传导、热对流和热辐射。  

c. 单元类型  

在温度场分析中，节点和受火柱这类微观模型采用八节点线性热传六面体实体单元划分网格，其他梁和柱这类宏观模型以及钢筋采用两节点传热连接单元划分网格。  

d. 测温方式：温度场分析中，火灾发生时升温曲线采用国际标准升温曲线ISO-834标准升温曲线，如图所示，其在升温段的公式为：T-T0=345lg（8t+1）  

 

模型温度场温度测点布置为：①截面柱脚处、②截面侧边处、③截面距中心100mm处、④截面距中心50mm处和⑤截面中心处。截面如图所示  

 

温度测点示意图  

 

2. 热力耦合模型  

 

在模型温度场建模之后，建立力学模型，将温度场分析结果以预定义场的形式导入力学场分析中，完成热-力耦合，从而实现钢筋混凝土框架底层中柱四面受火下的力学性能和耐火极限分析。其中边界条件的定义尤为关键，在对整个模型进行热-力耦合分析中，保持框架底部完全固结，约束了水平位移和转角（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）,并约束了框架平面外变形（U2=UR1=UR3=0）。柱顶作用集中荷载Ni（N1=1080KN,N2=1200KN）,梁上作用均布荷载q=20KN/m。  

 

钢筋混凝土框架温度场分析  

 

通过对框架温度场的计算，以受火柱四面受火为计算公开给你，全实体单元框架温度云图如图a、图b所示。多尺度单元框架温度云图如图c、图d所示。  

 

 

 

分别截取60min、120min、和180min、三个时刻对应受火柱截面温度云图，中柱中部截面温度云图如图e所示，在四面受火的条件下，正方形钢筋混凝土柱截面温度分布呈双轴对称分布，由外向内温度递减，柱截面角温度较沿边温度高。取距柱中心50mm、100、150mm、以及柱角处四个点的位置处温度与ISO834升温曲线进行对比，如图f所示。越靠近截面外援温度曲线越贴近升温曲线，前30分钟由于升温较快，混凝土内部温度传递梯度明显，随着升温速率降低，温度梯度差距逐渐减小。如图所示，受火60min时，截面处柱脚温度最高为921℃，柱边为850℃，混凝土核心区域即距柱中心50mm处为118℃；受火120min时，截面处柱脚温度最高为1037℃，柱边1005℃，混凝土核心区域为300℃；受火180min时，截面处柱脚最高为1101℃，柱边为1078℃，混凝土核心区域为443℃，随着受火时间加长，柱截面各个位置处的温度差距越来越小。  

 

 

 

小结：  

 

（1）通过分析传统柱在火灾下的反应，由于边界条件的限制，在缺少其他周边构件对其约束的条件下，相对整体结构耐火极限偏低，使其在相同时间内产生较大变形。  

（2） 通过对比多尺度模型与全实体单元模型，模型单元自由度的差异以及单元类型在计算迭代方式的不同在火灾静力分析中的力学性能基本接近，变形趋势以及耐火极限也基本保持一致，同时多尺度模型计算时间明显缩短，表明多尺度在显著提高模型计算效率的同时可以有效保证模型的计算精度。  

（3）采用多尺度混合模拟的方法，能得到和整体结构相似的耐火极限和结构变形，同时多尺度模型计算时间短，使得在试验子结构模型与数值子结构模型边界条件实时交互时效率更高，同时也说明混合试验方法以通过对简单构件的分析近似得到整体结构在火灾作用下相近的力学性能。  

 

本文小编和你们分享的是高温下的框架分析模型，之后和给大家带来一些高温后常见的结构构件的力学性能分析。     

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