火灾下面内约束钢筋混凝土简支双向板力学响应机理

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.03.017

摘要/Abstract

摘要：

现有分析方法对火灾下面内约束简支双向板的开裂、变形响应以及面内约束导致抗火性能降低的机理缺乏合理解释，本文应用ABAQUS有限元软件对火灾下面内约束钢筋混凝土简支双向板的温度场和热力耦合场进行了三维实体有限元分析，在实验验证基础上进行参数分析，探究钢筋和混凝土的挠度、应力变化规律和力学响应机理.结果表明：在火灾下，面内约束力削弱了板的倒拱效应与拉力膜效应，导致抗火性能显著降低.单向和双向面内约束、长宽比、荷载比的增大均会缩短板的倒拱效应与拉力膜效应阶段的时间.

关键词: 钢筋混凝土双向板, 火灾, 面内约束, 力学响应, 倒拱效应

Abstract:

The existing analysis methods lack a reasonable explanation for the cracking， deformation response， and the mechanism of fire resistance reduction caused by the internal confinement of the simply supported two‐way reinforced concrete slab with in‐plane constraints under the fire. Therefore， three‐dimensional solid finite element models of simply supported two‐way reinforced concrete slab with in‐plane constraints under fire in both temperature field and thermo‐mechanical coupling analysis were established using the ABAQUS software. On the basis of experimental verification， further parameter analysis was carried out to investigate the deflection， stress variation law， and mechanical response mechanism of steel bars and concrete. The results show that in the case of fire， the in‐plane constraining force weakens the inverted arch effect and tensile film effect of the plate， resulting in a significant decrease in fire resistance. An increase in unidirectional and two‐way in‐plane constraints， aspect ratio， and load ratio will shorten the duration of the inverted arch effect and tension membrane effect stages of plate.

Key words: two‐way reinforced concrete slab, fire, in‐plane constraint, mechanical response, inverted arch effect

中图分类号:

TU375.2

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图/表 16

图1 面内约束钢筋混凝土双向板有限元模型

Fig.1 FE model for two‐way reinforced concrete （RC） slabs with in‐plane constraints

表1 实验试件参数表

Table 1 Detail parameters of specimens

来源	约束方式	试件编号	L×B×h/mm	f_y/MPa	f_cu/MPa	g+q/（kN·m^-2）	受火面积/mm²	支撑方式	约束力/MPa
文献［5］	双向面内约束	R1	3900×3300×100	485	34	4.5	3000×2400	四边简支	N_X=0 N_Y=0
		R2							N_X=2 N_Y=0
		R3							N_X=2 N_Y=1
		R4							N_X=2 N_Y=2
文献［6］	单向面内约束	S0	3300×3300×100	414	25	4.76	2400×2400	四边简支	N_X=0 N_Y=0
		S1							N_X=1 N_Y=0
		S2							N_X=2 N_Y=0

图2 面内约束钢筋混凝土板温度测点实测值与模拟值比较（a）—R1；（b）—R2；（c）—R3；（d）—S0；（e）—S1；（f）—S2.

Fig.2 Comparison of temperatures between measured and simulated values of RC slabs with in‐plane constraints

图3 面内约束钢筋混凝土板跨中挠度实测值与模拟值比较（a）—S0，S1和S2；（b）—R1和R2；（c）—R3和R4.

Fig.3 Comparisons of deflection between measured and simulated values of two‐way RC slabswith in‐plane constraints

图4 单向约束板S1和双向约束板R3的最大主应力矢量图与试验现象图对比（a）—S1板顶最大主应力矢量图；（b）—S1板顶试验现象图；（c）—S1板底最大主应力矢量图；（d）—S1板底试验现象图；（e）—R3板顶最大主应力矢量图；（f）—R3板顶试验现象图；（g）—R3板底最大主应力矢量图；（h）—R3板底试验现象图.

Fig.4 Comparisons of stress distribution and experimental phenomenon of unidirectional‐constrained slab S1and two‐way‐constrained slab R3

图5 参数分析试件有限元模型

Fig.5 Finite element model for parameter analysis specimen

图6 约束混凝土双向板高温力学响应（a）—双向约束板N2截面温度分布曲线；（b）—单向约束板N4截面温度分布曲线；（c）—挠度-受火时间曲线；（d）—混凝土应力-受火时间曲线；（e）—钢筋应力-受火时间曲线.

Fig.6 Mechanical response of two?way?constrained slabs under high temperature

图7 典型受火时刻双向面内约束双向板N2截面混凝土横向应力分布（a）—t=6 min （A）；（b）—t=48 min （B）；（c）—t=56 min （C）；（d）—t=62 min （D）.

Fig.7 Transversal stress distribution of concrete in N2 section of two?way?constrained slab at typical fire time

图8 典型受火时刻双向面内约束双向板N2截面混凝土纵向应力分布（a）—t=6 min （A）；（b）—t=48 min （B）；（c）—t=56 min （C）；（d）—t=62 min （D）.

Fig.8 Longitudinal stress distribution of concrete in N2 section of two?way?constrained slab at typical fire time

图9 典型受火时刻单向面内约束双向板N4截面混凝土横向应力分布（a）—t=4 min （A）；（b）—t=35 min （B）；（c）—t=125 min （C）；（d）—t=160 min （D）.

Fig.9 Transversal stress distribution of concrete in N4 section of two?way slab confined in unidirectional plane at typical fire time

图10 典型受火时刻单向面内约束双向板N4截面混凝土纵向应力分布（a）—t=4 min （A）；（b）—t=35 min （B）；（c）—t=125 min （C）；（d）—t=160 min （D）.

Fig.10 Longitudinal stress distribution of concrete in N4 section of two?way slab confined in unidirectional plane at typical fire time

图11 单向面内约束对混凝土板抗火性能的影响规律（a）—挠度-受火时间曲线；（b）—钢筋应力-受火时间曲线；（c）—耐火极限-约束荷载曲线.

Fig.11 Effect of unidirectional constraints on fire resistance of concrete slab

图12 双向面内约束对混凝土板抗火性能的影响规律（a）—挠度-受火时间曲线；（b）—钢筋应力-受火时间曲线；（c）—耐火极限-约束荷载曲线.

Fig.12 Effect of two?way constraints on fire resistance of concrete slab

图13 长宽比对混凝土板抗火性能的影响规律（a）—挠度-受火时间曲线；（b）—钢筋应力-受火时间曲线；（c）—耐火极限-长宽比曲线.

Fig.13 Effect of aspect ratio on fire resistance of concrete slab

表2 参数分析试件属性

Table 2 Details of parameter analysis specimens

试件编号		长、宽、高	长宽比		N_X	N_Y	设计荷载	时间/min
		长、宽、高			N_X	N_Y	设计荷载	弹性阶段（OA）	弹塑性阶段（AB）	塑性阶段（BC）	受拉开裂阶段（CD）	耐火极限
		mm			MPa	MPa	kN·m^-2	弹性阶段（OA）	弹塑性阶段（AB）	塑性阶段（BC）	受拉开裂阶段（CD）	耐火极限
N1	8 000，6 000，150		1.3∶1	0		0	10	8	8	142	—	—
N2	8 000，6 000，150		1.3∶1	3		3	10	6	42	8	6	62
N3	8 000，6 000，150		1.3∶1	0		4	10	2	19	2	3	26
N4	8 000，6 000，150		1.3∶1	4		0	10	4	31	90	35	160
N5	6 000，6 000，150		1∶1	3		3	10	3	23	48	18	92
N6	12 000，6 000，150		2∶1	3		3	10	2	3	3	3	8
N7	8 000，6 000，150		1.3∶1	4		4	10	3	18	8	1	30
N8	8 000，6 000，150		1.3∶1	3		3	8	3	57	11	7	78
N9	8 000，6 000，150		1.3∶1	3		3	12	3	36	6	5	50

图14 荷载比对混凝土板抗火性能的影响规律（a）—挠度-受火时间曲线；（b）—钢筋应力-受火时间曲线；（c）—耐火极限-荷载比曲线.

Fig.14 The effect of load ratio on fire resistance of concrete slab

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