钢筋混凝土框架结构抗火灾倒塌机理与设计方法

Reinforced concrete (RC) framed structure is widely used in the construction of buildings. In these years, a considerable number of buildings collapsed as a result of fire and some industrial buildings suffered chemical explosion under high temperatures and man-made blast. The impact loads exposed to structures under high temperatures or fire, caused by collapse, man-made blast and other kinds of actions are attracting people's attention. The coupled fire (high temperature) exposure and dynamic loading caused by collapse and impact action lead to severe dagradation of mechanical behaviors of steel bar and concrete and bonding behavior between steel bar and concrete. The structures also suffer remarkable strain rate effect during progressive collapse and impact loading. The large deformation failure mechanism of RC frame structure under the extreme collapse and impact loads is very different from that in conventional bearing capacity limit state. However, there is no research on anti-collapse performance of RC frame and structural components in fire and after fire at home and overseas. Therefore, it is imperative to investigate into (1) the strain rate effects of mechanical behaviors of hot steel bar and concrete and the bonding behavior between steel bar and concrete, (2) the dynamic failure mechanism of framed beams and columns and beam-column joint sub-assembly sujected to fire or high temperature,(3)the anti-collapse rotational and tying capacity of beam-column joint sub-assembly after column loss. It can provide a basis for the reasonable assessment of the resistance against progressive collapse and anti-collapse design of RC frame subjected to fire.

钢筋混凝土框架结构是最为广泛应用的建筑结构形式之一。近年来，频繁的建筑火灾事故所造成相当数量的结构倒塌，以及特种厂房也可能遭受高温下化学或人为爆炸等灾害对结构产生火灾（高温）下的冲击力作用逐步引起人们的重视。结构在同时遭受火灾（高温）和倒塌或冲击作用时，不仅钢筋和混凝土力学性能及其粘结性能严重劣化，而且结构受倒塌和冲击过程中动态应变率效应影响显著，尤其是在极端倒塌和冲击荷载作用下的大变形失效机理与常规承载能力极限状态下的失效机理截然不同。然而国内外尚未见有对钢筋混凝土框架结构和构件火灾下动态抗倒塌性能进行研究。因此，亟需对高温下钢筋和混凝土力学性能及其粘结性能的动态应变率效应，框架梁、柱构件和梁-柱节点子结构在火灾下动态抗冲击性能和倒塌失效机理，以及柱失效后梁-柱节点抗倒塌转动和拉结能力进行研究，为合理评估钢筋混凝土框架结构的抗火灾倒塌能力和制定抗火灾倒塌设计方法提供依据。

本课题对高温下混凝土动态力学性能与微观结构，钢筋与混凝土的高温动态粘结性能，梁冲击损伤后的耐火极限以及梁柱节点在柱失效后转动和拉结能力进行研究，为合理评估钢筋混凝土框架结构的抗火灾倒塌能力和制定抗火灾倒塌设计方法提供依据。通过SHPB装置完成了高温下（后）混凝土动态力学性能试验，发现400℃以下，应变率硬化效应占主导；600℃以上，热软化效应占主导。完成了高温后混凝土微观试验，发现水灰比对高温后的微观结构和孔隙率影响很大。完成了CFRP约束高温后混凝土冲击力学性能试验，提出了CFRP约束高温后混凝土应力-应变简化模型。完成了高温下及高温后钢筋-混凝土界面粘结冲击力学性能试验，发现低于200℃时，粘结强度相比常温情况略有衰减；大于600℃后，粘结强度随温度升高显著衰减，高温后试件粘结强度低于高温下试件粘结强度。完成了冲击损伤梁残余承载力与耐火性能试验，针对弯曲破坏形态梁，提出了一种标准化后的残余承载力与抗弯刚度的计算公式。在荷载比一定时，冲击高度越大，试件的耐火极限越小。完成了梁柱节点静力竖向推覆试验，发现支座处钢筋通长比搭接和截断的节点抗倒塌能力好，高温后比高温下节点更易形成悬链线效应。采用ABAQUS有限元软件，建立了火灾下（后）钢筋混凝土梁柱子节点抗火灾倒塌数值分析模型，并进行影响因素参数分析。结构受火灾倒塌时的大变形失效机理与常规承载极限状态下的失效机理截然不同，通过理论分析，提出了预测高温下构件温度内力的解析方法和抗倒塌设计时梁柱节点荷载-变形简化计算公式，提出提高柱失效后梁-柱节点抗倒塌转动和拉结能力的设计方法，以及钢筋混凝土框架结构的火灾下（后）抗倒塌能力评估方法和加固方法，研究成果为合理评估钢筋混凝土框架结构的抗火灾倒塌能力和制定抗火灾倒塌设计方法提供依据。