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高性能混凝土柱耐火性评价模型

• • 1. 科杜尔¹，t.c.王²，F.P.程²和M.A.苏丹¹

1国家研究委员会，渥太华，加拿大。电子邮件Venkatesh.kodur@nrc.ca

2国立交通大学土木工程系，清华大学，台湾。

摘要

提出了一种以计算机程序形式评价高性能混凝土(HPC)柱耐火性的数值模型。阐述了与热分析和结构分析相关的柱耐火性计算的三个阶段。提出了一种简化的方法来解释火灾条件下的破裂。演示了使用计算机程序跟踪HPC柱从初始预装阶段到因火灾而坍塌的响应。

通过对计算机程序的预测结果与全规模耐火试验结果的比较，建立了该程序中所使用的数值模型的有效性。详细介绍了在HPC柱上进行的耐火实验的结果和结果。该计算机程序可用于评估HPC柱的耐火性，为任何参数的重要值，如荷载、截面尺寸、纤维钢筋、柱长、混凝土强度、骨料类型和纤维钢筋，无需测试。

关键词：耐火性，计算机程序，高性能混凝土柱，剥落，数值模型

介绍

近年来，建筑业对高性能混凝土(HPC)的使用表现出了极大的兴趣。这是由于与传统的，正常强度的混凝土(NSC)相比，它可以提供的结构性能的改进，如高强度和耐久性。一般来说，抗压强度为55MPa的混凝土称为正常强度混凝土(NSC)，抗压强度超过55MPa的混凝土为高强度混凝土(HSC)。HPC的典型特点是高强度、良好的工作性和耐久性，HSC是HPC的一个子集。

HPC在建筑中的主要用途之一是钢筋混凝土(RC)柱。柱子构成了建筑中的主要承重部件，因此，提供适当的消防安全措施是建筑设计[1]中的主要安全要求之一。然而，对于HPC[2,3]制造的钢筋混凝土柱的耐火设计还没有指导方针。

此外，一些实验室的火灾测试结果表明，在高温[4,5]下，HSC和NSC的性能存在明确的差异。此外，人们还担心，当造血干细胞受到快速加热时，会发生爆炸性泄漏，如火灾[4,5,6,7]。冲击理论上是由于加热[4,8]过程中孔隙压力的增加引起的。HSC与NSC相比，由于其渗透性较低，因此更容易受到这种压力累积的影响。暴露于火灾中产生的极高的水汽压，由于造血干细胞的高密度而无法逃逸，该压力往往达到饱和水汽压。在300C时，压力达到约8MPa。这种内部压力通常过高，无法被拉伸强度约为5MPa[4]的HSC混合物所抵抗。来自各种研究的数据表明，预测星状细胞的火灾性能，特别是剥落，是非常复杂的，因为它受到许多因素[4,5,8]的影响。

最近的发展，包括数值技术的发展和对高温下材料的热性能和力学性能知识的增强，使得通过计算确定各种结构构件的耐火性成为可能。详细的文献综述显示，虽然已经建立了确定耐火NSC柱的计算机模型，但HPC柱[6,7]的情况不是这样。此外，关于HPC柱[5,7]的耐火性的试验数据仅为有限。

为了制定HPC柱的防火设计和建造的指导方针，加拿大国家研究委员会(NRCC)和台湾的国立交通大学(NCTU)开展了一个合作研究项目。对HPC柱的防火性能进行了实验和理论研究。

本文提出了一种以计算机程序形式评价高性能混凝土(HPC)柱耐火性能的数值模型。模型中彻底简化了火灾条件下的冲击。实验结果用于追踪HPC混凝土柱在高温下的结构行为。通过对计算机程序的预测结果与全规模耐火试验结果的比较，建立了该程序中所使用的数值模型的有效性。

实验研究

试样

实验研究包括对由HPC制成的THC4、THC8、THS11和THP14四种钢筋混凝土柱进行耐火试验。所有柱长为3810毫米，方形截面为305毫米。柱横截面的尺寸和柱的其他具体尺寸见表1。

圆柱按照ACI规范[3]进行设计。所有的柱子都有四个25毫米的纵向条。钢筋用10毫米的领带捆绑，两端间距为75毫米，中间间距为145毫米。主钢筋和系带的规定屈服强度分别为420MPa和280MPa。图1显示了柱的标高图和截面细节以及领带的位置。

在制造圆柱时使用了四批混凝土。在第3批和第4批分别加入钢和聚丙烯纤维加固。第2批粗骨料为碳酸盐型，其他批次为硅质骨料。THC4、THC8、THS11和THP14柱是由第1批、第2批、第3批和第4批，分别为。所有四批混凝土均采用通用的1型硅酸盐水泥制成。

表1-HPC的测试参数和结果汇总表 列

• 含钢纤维 ^含聚丙烯纤维 根据CSA[2]计算

在浇筑后28天和试验当天测量的混凝土的平均抗压筒强度见表1。在测试当天，还使用维萨拉水分传感器测量了柱中心的水分状况。THC4、THC8、THS11和THP14柱的湿度条件与室温下空气相对湿度分别为78%、67%、99%和85%的平衡湿度条件近似相等。

0.91mm厚的k型色mel-alumel热电偶安装在柱的中高度，用于测量横截面不同位置的混凝土和钢筋温度。关于圆柱的设计和制造的详细信息见参考文献7。

• • • 1. 提拔 (b)横断面图1钢筋混凝土柱标高及横断面

试验装置

这些测试是通过将柱暴露在一个专门为测试加载柱而建造的炉中加热而进行的。炉由一个由四个钢柱支撑的钢框架组成，炉室在框架内。测试炉被设计用来产生一些条件，如温度、结构荷载和构件在火灾中可能暴露到的热传递。炉负荷能力1000吨。柱炉特性和仪器的详细信息见文献9。

试验条件和程序

这些柱子是通过将端板用螺栓固定在顶部的加载头和底部的液压千斤顶上来安装在熔炉中的。所有测试的柱的末端条件都是固定的。对于每个柱子，暴露在火灾中的长度约为3000毫米。在高温下，未加热的柱末端的刚度比柱的加热部分的刚度高，有助于减少柱的有效长度。在以往的研究中，我们发现，对于固定在末端的柱，2000毫米的有效长度代表了实验行为[10]。

所有的圆柱都在同心载荷下进行了测试。柱THC4承受了2000kN的载荷，根据ACI318[3]，这等于最终载荷的54%。THC8柱承受2000kN或71%的极限载荷，THS11柱承受2200kN或66%的极限载荷，THP14柱承受2200kN或67%的极限载荷。表1给出了荷载强度，定义为所施加的载荷与柱阻力（系数或极限载荷）的比值。

在火灾试验开始前约45min施加载荷，并一直保持到达到轴向变形不能进一步增加的状态。选择这作为柱的轴向变形的初始条件。在测试期间，柱暴露在热量下，使炉内的平均温度尽可能接近ASTME119-88[11]或CAN/ULC-S101[12]标准温度-时间曲线。负荷在整个测试过程中都保持不变。当最高转速为76mm/min的液压千斤顶不能再维持负载时，圆柱被认为是失败了，测试被终止。

旨在验证计算机模型的实验研究的主要结果，将在下面的章节中介绍。来自实验研究的详细结果，包括测量的温度和偏转量，在参考文献7中进行了讨论。

数值模型

模型描述

作为本研究的一部分，建立了一个预测暴露于火灾中的HPC柱行为的数值模型。模型中使用的数值方法与之前应用于NSC柱[13,14]耐火计算的方法相似。

耐火计算分三个步骤进行，即计算柱暴露的火灾温度，计算柱内的温度，计算产生的变形和强度，包括应力和应变分布分析。在强度分析计算中，通过一种简化的方法来解释剥落的程度。柱温度和强度的详细计算方程见文献13和14。

火灾温度

在数值模型中，假设柱的整个表面积暴露在火灾的热量中，其温度遵循ASTME119-88[11]或CAN/ULCS101[12]中描述的标准火灾暴露温度。这个温度过程可以用以下表达式来近似：

(1)其中T_f是时间，单位是小时。tau;是该时刻的火灾温度。

柱内温度

柱的温度采用有限差分法[15]计算。图1显示了典型钢筋混凝土柱的高程和横截面细节。柱的横截面积被细分为许多元素，排列成一个三角形的网络。元素在柱内为正方形，在柱表面呈三角形。对于内部元素，以中心的温度作为整个元素的代表。对于三角形曲面元素，代表点位于每个斜边的中心上。

由于对称性的原因，在计算矩形截面柱中的温度分布时，只需要考虑四分之一的截面。柱中的温升可以通过为每个元素创建一个热平衡来得出。对柱的单位长度进行了计算。

考虑到水分的影响，假设当每个元素的温度达到100°C时，水分开始蒸发。在蒸发期间，所有提供给一个元素的热量都用于蒸发水分，直到元素干燥。

柱强度

为了计算火灾暴露时柱内的应变和应力及其强度，将上述三角形网络转化为一个正方形网络[14]。每个元素的温度、变形和应力由元素中心的温度表示。每个元素中心的温度是通过对上述三角形网络中的元素的温度进行平均而得到的。

对于钢筋，将柱完全由混凝土组成，并选择钢筋段中心的温度作为代表的钢筋温度，得到近似的平均钢筋温度。温度在火灾试验中对不同地点的测量表明，在酒吧和部分的温度差异是小的[13]。

混凝土构件中的应变可以是混凝土的热膨胀、压缩引起的轴向应变和柱的弯曲引起的应变之和。对钢筋构件也进行了类似的计算。可以计算出任意轴向应变值，和曲率值1/.的混凝土构件中段的应力通过这些应力，可以确定每个元素所承受的负载及其对中段内部力矩的贡献。通过增加载荷和力矩，可以计算出柱所承载的载荷和中段的总内力矩。强度计算的详细方程见参考文献13和14。

柱的耐火性是通过计算强度，即柱在火灾暴露期间连续几次能承受的最大载荷来得出的。

斯伯林的程度

在火灾条件下浇筑混凝土是HSC的主要问题之一，应考虑对暴露在火灾中的HSC柱的行为进行建模。脱落是一个复杂的现象，关于[8]发生的确切机制仍存在争议。各种研究数据表明，星状混凝土的剥落受混凝土强度、混凝土密度、荷载强度和类型、含水量、连接结构、火灾强度、骨料类型、纤维添加和试样尺寸[8]的影响。为了精确模拟剥落，需要孔隙压力-温度关系。但是，目前还没有这些数据。因此，采用了一种简化的方法，以最小化模型的复杂性，并方便计算机程序的使用。

通过对星状细胞柱的详细实验研究，发现当混凝土温度超过350°C[7]时，就会发生剥落。在耐火试验中，观察到在大约15分钟时，靠近柱表面（深度远低于19.5毫米）的温度达到350°C，在该区域很可能发生剥落。在大约30分钟时，剥落区扩散到离表面约19.5毫米。实验研究的数据还表明，对于有直连结的柱

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