提要：在查閱和分析國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文首先闡述了鋼筋混凝土材料熱力學(xué)性能、熱傳導(dǎo)方程及分析工具等理論基礎(chǔ),然后對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在高溫下的溫度場(chǎng)計(jì)算、承載力與變形計(jì)算以及耐火極限分析的理論研究方法與研究成果進(jìn)行了歸納,指出了理論計(jì)算的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)化趨勢(shì),并對(duì)一些尚待解決的問題提出了建議,如加強(qiáng)混凝土缺陷、水分遷移與尺寸變化等影響因素的研究以及完善火災(zāi)全過程分析方法。
關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu),抗火,溫度場(chǎng),有限元分析
在國(guó)外,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能系統(tǒng)研究始于20 世紀(jì)50 年代,但在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),研究主要依賴于試驗(yàn),研究?jī)?nèi)容也主要集中在火災(zāi)升溫過程、材料在高溫下的力學(xué)性能、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的火災(zāi)極限承載力等方面。在國(guó)內(nèi),抗火性能研究從上世紀(jì)80 年代起也大量展開,發(fā)展較快[1 ] 。目前,在大量試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火理論研究也取得了較大進(jìn)展。由于試驗(yàn)研究花費(fèi)大量的物力和財(cái)力,火災(zāi)中試件尺寸相似性問題還沒有深入研究,因此理論研究顯得及其重要,尤其是隨著計(jì)算數(shù)學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展,理論研究工具已日趨先進(jìn)。
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火理論研究具有鮮明的多學(xué)科交叉特點(diǎn),它涉及火災(zāi)科學(xué)、材料科學(xué)、熱力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等。各國(guó)學(xué)者在研究的過程中均是針對(duì)具體研究目標(biāo)對(duì)其中某些方面進(jìn)行簡(jiǎn)化或采用假定,從而盡可能建立較為簡(jiǎn)化的分析模型。從已有的研究文獻(xiàn)資料來看,大多數(shù)影響因素均已有研究涉及。
從構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層次來看,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火理論研究主要包括兩個(gè)方面:溫度場(chǎng)的分析計(jì)算和承載力、變形等火災(zāi)反應(yīng)分析。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外已有研究資料分析的基礎(chǔ)上,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火理論研究作了簡(jiǎn)要綜述,并提出了一些自己的見解。
1 混凝土結(jié)構(gòu)抗火理論研究的基礎(chǔ)
為達(dá)到對(duì)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行研究的目的,首先必須建立包括材料性能和分析模型在內(nèi)的基礎(chǔ)理論。這些理論包括:火災(zāi)時(shí)升溫曲線的數(shù)學(xué)模型、材料的熱工性能及傳熱學(xué)理論、高溫下混凝土與鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型、數(shù)值分析理論和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等。
結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)時(shí)火場(chǎng)溫度的發(fā)展過程對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響至關(guān)重要,因此必須首先建立火場(chǎng)升溫曲線模型。目前的升溫模型主要有三類:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(如ISO834) 、由標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線改進(jìn)的等效曝火時(shí)間模型和由完全發(fā)展的室內(nèi)自然火災(zāi)時(shí)空氣溫度的時(shí)間- 溫度曲線決定的模型[2 ] ,其中,第一種模型為大多數(shù)研究者所采用。此外,考慮到模型與實(shí)際火災(zāi)情況的差異,為簡(jiǎn)化計(jì)算,有研究者還根據(jù)實(shí)際建立了自己的模型[3 ] 。
火災(zāi)作用下構(gòu)件截面的熱傳導(dǎo)問題是個(gè)非線性瞬態(tài)問題,且受材料的熱工性能影響?；炷恋臒峁ば阅軈?shù)主要包括熱傳導(dǎo)系數(shù)λ、比熱c和質(zhì)量密度ρ等,在火災(zāi)高溫作用下,它們均是溫度的函數(shù),因而增加了結(jié)構(gòu)理論分析計(jì)算的取值難度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究,但由于受混凝土組分的差異性和試驗(yàn)方法的影響,得到的這些熱工性能參數(shù)離散性較大。為較好地估計(jì)材料的熱工參數(shù),熊向軍[4 ] 介紹了Kmpisz 提出的使用熱力學(xué)的逆解法,這對(duì)理論研究是不小的貢獻(xiàn)。此外,國(guó)內(nèi)研究者也重點(diǎn)考慮了熱工參數(shù)的影響因素,如混凝土骨料類型等,并開始著手研究水分在火災(zāi)作用下對(duì)熱傳導(dǎo)的影響[4 ] 。
高溫下混凝土與鋼筋的本構(gòu)關(guān)系可以被直接應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的抗火理論計(jì)算中。由于受混凝土材性的復(fù)雜性和試驗(yàn)條件諸多因素影響,目前的高溫本構(gòu)關(guān)系計(jì)算式并不完全統(tǒng)一。與之相關(guān)的參數(shù)如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等也未有統(tǒng)一的計(jì)算式,但在其規(guī)律性研究上已達(dá)成眾多共識(shí)。Lie 等[5 ]根據(jù)各種試驗(yàn)對(duì)混凝土和建筑鋼材的高溫力學(xué)性能及計(jì)算式進(jìn)行了總結(jié)和研究,國(guó)內(nèi)研究者也考慮各種影響因素如不同應(yīng)力- 溫度途徑對(duì)本構(gòu)關(guān)系的影響[6 ] ,但對(duì)混凝土和鋼材的高溫蠕變(徐變) 的研究較少,因而蠕變模型應(yīng)用到構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的理論研究也不多。
數(shù)值分析理論和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)抗火理論分析的重要工具,由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)方程是一個(gè)非線性偏微分方程,解析解很難得到,一般只能采用數(shù)值分析法求解,主要有差分法、泛函極值法和加權(quán)余量法等,目前應(yīng)用較多的是空間上的有限元和時(shí)間上的有限差分相結(jié)合的方法,這一應(yīng)用從20 世紀(jì)70 年代就已開始。基于數(shù)值分析理論,目前不少研究者已開發(fā)出了相應(yīng)的應(yīng)用軟件。
2 混凝土結(jié)構(gòu)抗火理論研究進(jìn)展
混凝土結(jié)構(gòu)抗火的全過程分析包括三部分:室內(nèi)火災(zāi)溫度場(chǎng)分析、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分析和抗火性能分析。胡克旭等[7 ]運(yùn)用空間有限元和時(shí)間差分相結(jié)合的方法,運(yùn)用目標(biāo)區(qū)域模型?；夹g(shù),對(duì)全過程分析方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,但大多數(shù)研究者是將三部分分開來進(jìn)行研究。本文主要介紹后兩部分的研究進(jìn)展。
2.1 混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)
2.1.1 求解方法概述
為進(jìn)行高溫下的結(jié)構(gòu)性能分析,一般先進(jìn)行構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)分析,由于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形一般不影響熱傳導(dǎo)過程,因而可對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行獨(dú)立分析。構(gòu)件和截面溫度場(chǎng)由于受諸多因素如材性離散、邊界條件處理等影響,理論分析較為復(fù)雜。以前的溫度場(chǎng)確定主要通過試驗(yàn)實(shí)測(cè),即通過在構(gòu)件中預(yù)埋熱電偶,積累大量數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的表格供查找參考,此圖解法精度較低,國(guó)外曾在早期采用過。隨著分析手段的改進(jìn)和混凝土熱傳導(dǎo)性能等基礎(chǔ)研究的深入,已逐漸轉(zhuǎn)為理論分析計(jì)算為主。
熱傳導(dǎo)方程是一個(gè)非線性拋物型偏微分方程,在用數(shù)值解法求解的過程中,除上文提到的空間有限元和時(shí)間有限差分結(jié)合法外,還有空間差分和時(shí)間差分結(jié)合法、空間有限元和時(shí)間有限元結(jié)合法等。對(duì)于時(shí)間差分和空間有限元結(jié)合法遇到的振蕩問題,一般可通過合理選擇尺寸單元和時(shí)間步長(zhǎng)解決,但已證明高階時(shí)域差分格式是不能解決的[4 ] 。國(guó)內(nèi)外研究者提出了不少有價(jià)值的方法和建議,完善和創(chuàng)新了計(jì)算理論,為此,熊向軍[4 ]進(jìn)行了簡(jiǎn)要?dú)w納,如Gurtin 考慮到初值問題,提出了卷積形變分原理,并促成了時(shí)空有限條計(jì)算法。目前研究者對(duì)溫度場(chǎng)的計(jì)算對(duì)象均集中在構(gòu)件如墻板、柱、梁等,由于熱傳導(dǎo)問題實(shí)際上是三維問題,這大大增加了理論求解的難度,因而研究者根據(jù)構(gòu)件形狀、受火條件等對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,從而變?yōu)槎S問題甚至一維問題。
鋼筋混凝土墻片和平板的火災(zāi)溫度場(chǎng)計(jì)算較簡(jiǎn)單,其溫度場(chǎng)是火災(zāi)燃燒時(shí)間t 和計(jì)算點(diǎn)距受火面距離h 的函數(shù),它可按照一維無限大平板熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行解析求解,也可進(jìn)行一維差分和有限元求解。楊澤安[8 ,9 ]根據(jù)一維傅立葉導(dǎo)熱微分方程,采用拉普拉斯變換求解得出了混凝土樓板沿橫截面高度的溫度分布函數(shù)。由于一維熱傳導(dǎo)問題理論求解較簡(jiǎn)單且已經(jīng)成熟,近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研究也相對(duì)較少。對(duì)于梁柱構(gòu)件,由于截面復(fù)雜性及有單面和多面受火可能,因而成為理論研究難點(diǎn)。在目前的研究中,一般假定梁柱構(gòu)件內(nèi)部溫度沿縱向一致,因而直接選取橫截面,將溫度場(chǎng)視為火災(zāi)燃燒時(shí)間t 、計(jì)算點(diǎn)離高邊和寬邊距離的函數(shù),按二維熱傳導(dǎo)問題計(jì)算。由于熱傳導(dǎo)方程只表明構(gòu)件內(nèi)部各點(diǎn)間的熱量遷移規(guī)律,因而需先確定構(gòu)件溫度的初始條件和邊界條件,從而確定各點(diǎn)的溫度。董毓利[10 ]指出,對(duì)計(jì)算截面進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)需注意離散方法,一般的有限元?jiǎng)澐职ň匦?、半矩形?/ 4 矩形和3/ 4 矩形四種單元,考慮到邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算的復(fù)雜影響,劃分時(shí)盡可能使單元類型最少。當(dāng)然,研究者也可根據(jù)研究對(duì)象自主選擇其它類型單元,如Lie 等[5 ]對(duì)四面受火的圓柱截面采用了細(xì)圓環(huán)的網(wǎng)格劃分,這大大減少了計(jì)算工作量。在確定了計(jì)算模型后,即可編制計(jì)算機(jī)程序直接進(jìn)行理論計(jì)算。
2.1.2 對(duì)鋼筋的處理
由于溫度場(chǎng)計(jì)算可獨(dú)立于應(yīng)力分析進(jìn)行,對(duì)于鋼筋對(duì)溫度場(chǎng)的影響,以前的研究大都進(jìn)行了簡(jiǎn)化,即將計(jì)算點(diǎn)處鋼筋溫度視為與同處混凝土溫度相同處理。由于鋼筋的熱傳導(dǎo)速度比混凝土快得多,尤其是對(duì)于配筋量較大的截面,鋼筋的影響是不可忽視的。楊澤安[8 ,9 ]對(duì)鋼筋混凝土梁、板、柱中主筋溫度計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹,將混凝土板中的鋼筋溫度計(jì)算方程視為一維,將梁柱中的鋼筋溫度計(jì)算方程視為二維,熱傳導(dǎo)方程中的自變量為火災(zāi)燃燒時(shí)間t 和計(jì)算點(diǎn)離邊界面的距離,計(jì)算時(shí)除了考慮混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)、初始條件和邊界條件外,還要考慮鋼筋半徑、鋼筋熱傳導(dǎo)系數(shù)和鋼筋保護(hù)層厚度等的影響。
2.1.3 溫度場(chǎng)影響因素的研究
影響溫度場(chǎng)的因素較多,但目前的研究仍不夠全面。由于骨料和水泥石的熱膨脹和熱工性能不同,高溫作用必然使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫,這些裂縫的存在和分布均是隨機(jī)的,因而溫度場(chǎng)分析時(shí)可將混凝土視為宏觀連續(xù)均質(zhì)體,但當(dāng)這些裂縫寬度較大甚至貫通形成內(nèi)部空隙和孔洞時(shí),這種假定顯然不符合實(shí)際,但目前尚未對(duì)此進(jìn)行專門研究,更未形成理論體系。華毅杰[2 ]就微裂縫對(duì)溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了一些定性分析,而對(duì)大孔洞存在的影響,見諸文獻(xiàn)的報(bào)道并不多。對(duì)其他因素,金賢玉等[11 ]基于混凝土梁,考慮了尺寸效應(yīng)、混凝土齡期以及恒溫時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)溫度場(chǎng)的影響;吳波等[12 ]考慮了火災(zāi)中混凝土的爆裂對(duì)溫度場(chǎng)的影響,并給出了混凝土柱截面中軸線上由于爆裂引起的溫度變化的回歸公式。由于高強(qiáng)和高性能混凝土在高溫中易發(fā)生爆裂,隨著高性能混凝土的廣泛應(yīng)用,爆裂影響研究應(yīng)進(jìn)一步深入。馮雅等¬[13 ]考慮了火災(zāi)高溫作用下材料內(nèi)部溫度和濕度傳遞機(jī)理,提出了混凝土高溫作用下熱濕傳遞模型,從而降低了溫度場(chǎng)的理論計(jì)算誤差。高溫作用下混凝土中水分對(duì)熱傳導(dǎo)的影響起著重要作用,有研究者將水分?jǐn)U散當(dāng)作一種物質(zhì)傳遞來考慮水分對(duì)構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響,以后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。
2.2 混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的力學(xué)行為研究
鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)分析是在溫度場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,主要包括承載力、變形計(jì)算和耐火時(shí)間極限分析。
2.2.1 承載力和變形計(jì)算
對(duì)一般構(gòu)件而言,承載力變化主要取決于鋼筋和混凝土在火災(zāi)中的損傷程度,而對(duì)超靜定結(jié)構(gòu),還取決于不同部位構(gòu)件在火災(zāi)中剛度下降不同而導(dǎo)致的內(nèi)力重分布。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外都對(duì)梁、柱、框架等進(jìn)行了不少火災(zāi)極限承載力試驗(yàn),而在理論分析上,主要是對(duì)構(gòu)件截面承載力進(jìn)行計(jì)算。較早的抗火承載力計(jì)算是先確定溫度場(chǎng)分布,對(duì)材料計(jì)入相應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù),將高溫下截面轉(zhuǎn)化為有效截面,再按照類似于常溫條件下的承載力求解方法求解。該方法是在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來的,并根據(jù)火災(zāi)和受火條件的不同, 制定了相應(yīng)的溫度和截面轉(zhuǎn)化參考表格[14 ] ,計(jì)算較為簡(jiǎn)單,但精度較差?；诖怂悸?還發(fā)展出了截面的熱削弱概念。目前的理論計(jì)算已大大改進(jìn),一般做法是根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果將截面劃分成區(qū),計(jì)算內(nèi)力和變形的關(guān)系,在截面承載力計(jì)算時(shí),一般仍假定平截面假定成立,且忽略拉區(qū)混凝土的作用及剪切效應(yīng)等,但需事先明確和建立鋼筋和混凝土的高溫本構(gòu)關(guān)系、熱變形及瞬時(shí)徐變模型。
對(duì)于構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的變形、撓度等的計(jì)算,可通過牛頓- 拉夫遜(正切剛度) 法,或把熱膨脹、徐變與荷載產(chǎn)生的應(yīng)變分開計(jì)算截面的彎矩- 曲率關(guān)系,從而計(jì)算每一時(shí)刻的單元?jiǎng)偠?通過有限元完成分析計(jì)算,因此重點(diǎn)在于確定高溫下鋼筋與混凝土的應(yīng)變[15 ] 。
從已有研究文獻(xiàn)來看,對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的火災(zāi)極限承載力和變形的計(jì)算均是進(jìn)行非線性有限元分析。Dot reppe 等[16 ]考慮長(zhǎng)細(xì)比、保護(hù)層厚度和斷面形狀的影響,通過數(shù)值分析方法,對(duì)混凝土柱的抗火性能進(jìn)行了非線性研究,可以求出加溫過程中柱的塑性破壞荷載。Huang等[17 ]通過厚板理論和層有限元方法,通過考慮熱膨脹、開裂和熱工性能的變化因素(不計(jì)爆裂影響) ,對(duì)鋼筋混凝土板的抗火性能進(jìn)行了非線性研究。J amorana 等[18 ]利用熱傳遞和熱動(dòng)力平衡方法的非線性分析, 考慮了破壞和爆裂過程。Huang 等[19 ]利用條塊法對(duì)鋼筋混凝土梁的抗火性能進(jìn)行了非線性有限元分析,考慮的因素有斷面尺寸、保護(hù)層厚度和加載方式,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比, 證明了數(shù)值分析的可信度。Lie等[5 ,20 ]分別對(duì)圓形截面柱和矩形截面柱的抗火性能進(jìn)行了非線性分析,基本的思路是考慮構(gòu)件截面溫度場(chǎng)的分布,之后對(duì)混凝土的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行高溫修正,然后按一般混凝土的非線性分析方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。Dot reppe 等[16 ] 對(duì)火災(zāi)中各種不同的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性分析的建模工作,形成了較完整的分析模式。Terro[21 ]根據(jù)試驗(yàn)與非線性理論分析成果,明確提出了柱的抗火設(shè)計(jì)計(jì)算方法,直接為工程實(shí)踐服務(wù)。
目前,對(duì)承載力和變形的理論計(jì)算仍不完善,主要表現(xiàn)在建立計(jì)算模型時(shí),引入了各種假定,忽略了某些影響因素。這些因素主要包括剪切作用、高溫下鋼筋混凝土粘結(jié)- 滑移本構(gòu)關(guān)系、熱邊界條件變化(尤其是混凝土開裂及內(nèi)部缺陷損傷) 等。
2.2.2 耐火極限研究
目前,國(guó)內(nèi)外在構(gòu)件的耐火極限理論等方面的研究不夠深入。董毓利[10 ] 指出, Harmathy 提出的針對(duì)單層實(shí)心板、雙層復(fù)合板、實(shí)心板的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式是基于1200 多個(gè)構(gòu)件的耐火試驗(yàn)得出的,并形成了一些確定耐火極限大小的規(guī)則。隨著研究的不斷深入, Karamoko 等[22 ]基于混凝土柱已提出了火安全分析方法,這有助于構(gòu)件耐火極限的確定。在國(guó)內(nèi),陸洲導(dǎo)等[23 ]以試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過建立數(shù)學(xué)模型,采用有限元法預(yù)測(cè)梁的耐火性能,為確定建筑構(gòu)件的耐火時(shí)間開辟了新思路。這種思路可采用有限元、輸入實(shí)際火災(zāi)情況下各種火災(zāi)過程的數(shù)學(xué)模型,而耐火試驗(yàn)只能在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下進(jìn)行,從而預(yù)示了分析法逐漸取代耗資巨大的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)的趨勢(shì),應(yīng)該成為今后的研究重點(diǎn)。
2.3 理論研究的計(jì)算機(jī)化
在混凝土結(jié)構(gòu)的抗火理論分析中,各種實(shí)體模型和分析模型的建立、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算過程均因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而變得簡(jiǎn)單可行。各研究者在自己的抗火研究中均編制了相應(yīng)的計(jì)算程序,如時(shí)旭東等[24 ]的HTARC 計(jì)算程序(溫度場(chǎng)計(jì)算) ,姚亞雄等[15 ]的USTFAP1 分析程序(溫度場(chǎng)計(jì)算) 和FFRSAP1 分析程序(框架火災(zāi)反應(yīng)非線性有限元分析) ,Vecchio[25 ]針對(duì)平面框架的火災(zāi)反應(yīng)預(yù)測(cè)程序,Dot reppe 等[16 ]的SAFIR 程序。J ames 等[26 ]還根據(jù)混凝土板建立了火災(zāi)分析的計(jì)算機(jī)理論分析模型,該模型可對(duì)混凝土板的抗火性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。四川消防科學(xué)研究所編制了“火災(zāi)溫度作用下鋼筋混凝土梁、板、柱溫度場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)”軟件程序,并開發(fā)了相應(yīng)的適用于火災(zāi)結(jié)構(gòu)燒傷鑒定的計(jì)算系統(tǒng)軟件[8 ,9 ] 。
劉永軍等[27 ]介紹的TFIELD 軟件可用于鋼筋混凝土構(gòu)件的溫度場(chǎng)非線性有限元分析,并可研究各種參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響,但在分析過程中尚未考慮水分蒸發(fā)以及混凝土中裂縫對(duì)溫度場(chǎng)的影響。目前應(yīng)用較多的ANSYS 軟件在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算中,包括了熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值分析,方便了結(jié)構(gòu)的高溫性能研究,但溫度只是作為影響結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力變化的一種外在因素,因而對(duì)材料的高溫本構(gòu)關(guān)系作了大量簡(jiǎn)化。
這些計(jì)算程序和軟件的出現(xiàn)和發(fā)展,也大大促進(jìn)了理論研究的發(fā)展。但是,結(jié)構(gòu)火災(zāi)的全過程計(jì)算機(jī)模擬和仿真分析,如火災(zāi)演變及結(jié)構(gòu)火災(zāi)變形仿真仍需大量工作要做,而且條件成熟時(shí),有必要建立數(shù)字抗火實(shí)驗(yàn)室,對(duì)火災(zāi)過程和結(jié)構(gòu)的高溫火災(zāi)反應(yīng)進(jìn)行數(shù)字化模擬和計(jì)算。
3 結(jié)論與建議
通過上文對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗火理論研究的簡(jiǎn)要述評(píng),筆者得出了以下結(jié)論,并提出了一些可能成為研究者今后更多考慮的問題:
(1) 混凝土結(jié)構(gòu)的抗火理論研究是在大量抗火試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來的,對(duì)進(jìn)一步的抗火試驗(yàn)研究和實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。在溫度場(chǎng)計(jì)算、承載力與變形的有限元分析上,已形成了一些較為成熟可行的計(jì)算方法和理論。
(2) 應(yīng)加強(qiáng)材料高溫物理和力學(xué)性能的進(jìn)一步研究,如本構(gòu)關(guān)系的建立、熱工參數(shù)等,尤其是混凝土組成、等級(jí)對(duì)這些性能和參數(shù)的影響,以適當(dāng)提高理論計(jì)算的精度。
(3) 在已有標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)研究真實(shí)火災(zāi)過程的升降溫曲線,弄清火災(zāi)全過程的演變機(jī)理和定量描述方法。
(4) 溫度場(chǎng)計(jì)算中,應(yīng)加強(qiáng)水分蒸發(fā)和遷移、混凝土缺陷(孔隙、內(nèi)部微裂縫、表面裂縫及混凝土剝落等) 對(duì)溫度場(chǎng)影響的研究。
(5) 混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)中力學(xué)性能理論分析中,應(yīng)加強(qiáng)混凝土裂縫發(fā)展、構(gòu)件在高溫下變形導(dǎo)致的二階矩、截面尺寸變化等影響因素的研究,并在非線性有限元分析時(shí)引入鋼筋與混凝土粘結(jié)- 滑移本構(gòu)關(guān)系等。
(6) 應(yīng)加強(qiáng)火災(zāi)中試件尺寸相似性問題的研究。
(7) 應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)與熱反應(yīng)的耦合作用研究,建立火災(zāi)全過程分析方法,逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字抗火實(shí)驗(yàn)室技術(shù),最終達(dá)到合理確定耐火極限的目的。
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