CN108334686B - 一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法，目的在于解决现有评估方法不能快速给出灾后混凝土构件承载力问题，其包括获取灾后力学性能测试参数；根据火场参数确定混凝土构件温度场分布；根据等温线法以及温度场分布将混凝土构件分层，并得到不同层混凝土历经最高平均温度：根据不同位置处钢筋和不同层混凝土的历经最高平均温度查询获取钢筋和不同层混凝土的灾后力学性能参数；通过灾后力学性能测试参数以及灾后力学性能参数确定火灾后混凝土构件的承载力。本发明通过灾后力学性能测试参数与灾后力学性能参数确定火灾后混凝土构件的承载力，解决了现有评估方法不便于快速给出火灾后混凝土构件的承载力的问题。

Description

一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法
技术领域
本发明涉及机械力学领域，具体而言，本发明涉及一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法。
背景技术
火灾是威胁公众和社会发展的主要灾害之一，会对国民经济和人类造成巨大的损失。火灾严重性取决于火灾达到的最大温度和持续燃烧的时间。火灾严重性的影响因素主要包括可燃材料的数量与分布、通风状况、火场空间大小、形状与热工性能等。混凝土和钢材虽为不燃材料，但在遭受火灾之后，由于物理和化学变化，混凝土和钢材的力学性能大幅降低，结构构件出现不同程度的破坏甚至倒塌。遭受火灾之后，混凝土结构能否继续使用，是否需要进行加固或替换，取决于火灾后混凝土结构的承载能力。因此，制定一种快速、有效的针对混凝土构件火灾后承载能力的评估方法非常重要。
虽然目前已有混凝土结构承载能力的评估方法，但现有的检测与评估方法大多数只是定性地分析构件的损伤情况并对损伤程度进行评级，不能反映火灾现场所有构件性能的真实退化情况。部分改进方式是对灾后混凝土构件做有限元分析，但是评估的效率比较低。
发明内容
为了解决现有检测与评估方法不能快速地定量给出火灾后混凝土构件的承载力的问题，本发明实施例提供了一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法，该火灾后混凝土构件承载能力评估方法包括如下步骤：
步骤S1：对采集的火灾后的钢筋式样以及混凝土芯样做力学性能测试得到所述钢筋式样以及混凝土芯样的灾后力学性能测试参数；
步骤S2：在火灾动力学模拟软件FDS中基于火场参数生成火场温度曲线，并根据所述火场温度曲线确定混凝土构件温度场分布，所述火场温度曲线为模拟火场温度变化的过程曲线；
步骤S3：根据等温线法以及所述温度场分布将所述混凝土构件分层，并得到不同层混凝土的历经最高平均温度：
步骤S4：根据不同位置处的钢筋和所述不同层混凝土的历经最高平均温度查询获取所述钢筋和不同层混凝土的灾后力学性能参数；
步骤S5：通过所述灾后力学性能测试参数以及所述灾后力学性能参数灾确定火灾后混凝土构件的承载力。
优选地，所述在火灾动力学模拟软件FDS中基于火场参数生成火场温度曲线包括：
根据火灾参数在火灾动力学模拟软件FDS中建立火灾现场模拟模型；
根据所述火灾现场模拟模型以及预置的燃烧参数、边界条件和火源确定火场温度分布；
对混凝土构件周围区域的空气温度取平均，生成火场温度曲线。
优选地，所述火灾参数包括火灾荷载、通风方式、消防设施的一种或者多种。
优选地，所述根据所述火场温度曲线确定所述混凝土构件温度场分布包括：
通过有限元法建立所述混凝土构件热传递分析模型；
根据所述热传递分析模型、混凝土热工参数以及传热计算参数确定所述混凝土构件温度场分布。
优选地，所述混凝土热工参数包括热传导系数和比热，所述热传导系数和比热基于我国《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249-2017)确定。
优选地，所述传热计算参数包括辐射率和对流系数，所述辐射率为0.8，所述对流系数为35W/mK。
优选地，所述步骤S5包括：
通过所述灾后力学性能测试参数以及所述灾后力学性能参数确定所述混凝土构件中的钢筋和混凝土的力学性能参数；
基于平截面假定以及所述混凝土构件中钢筋和混凝土的力学性能参数计算出火灾后混凝土构件的承载力。
与现有技术相比，本发明一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法具有如下有益效果：
本发明一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法采用将灾后力学性能测试参数与经过FDS、有限元热传递以及分层模型得到的混凝土构件中钢筋和混凝土的灾后力学性能参数相结合确定火灾后混凝土构件的承载力的方式，解决了现有的检测与评估方法不能定量地给出火灾后混凝土构件的承载力的问题。同时，与仅通过钻取混凝土芯样、截取钢筋试验等方法来确定火灾后混凝土和钢筋的力学性能相比，本发明还能够实现反映火灾现场更多混凝土构件性能的真实退化情况。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法的方法流程示意图；
图2为本发明实施例一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法中的一个三面受火后混凝土梁的分层模型示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明实施例提供一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法，该火灾后混凝土构件承载能力评估方法包括如下步骤：
步骤S1：对采集的火灾后的钢筋式样以及混凝土芯样做力学性能测试得到所述钢筋式样以及混凝土芯样的灾后力学性能测试参数，其中，力学性能测试是指材料在不同环境下，承受各种外加载荷时所表现出的力学特征。在实际中，环境可以为温度等，而载荷为拉伸、压缩等，本发明实施例对此不做限制。
在一些实施方式中，混凝土芯样通过钻取混凝土获取，主要测试其灾后抗压力学性能测试参数。钢筋式样可以通过截取钢筋，主要测试其灾后拉伸力学性能测试参数。
值得注意的是，考虑到混凝土构件在火灾中的毁损程度的不同，在实际实施该火灾后混凝土构件承载能力评估方法时，可以根据混凝土构件的表观状况，对火灾现场混凝土构件进行分类，然后针对不同类别的混凝土构件，制定不同的检测方案，从而提高灾后的响应速度，节省评估资源。
示例地，若混凝土构件严重破坏，难以加固修复，需要拆除或更换，则判定为Ⅳ类构件；对于有大面积混凝土脱落或明显变形或较粗裂缝网或大面积漏筋时判定为III类构件；对于有小面积混凝土脱落或略有变形或轻微裂缝网或小面积漏筋时判定为IIb类构件；对于无混凝土脱落、无变形、无裂缝网和无漏筋时判定为IIa类构件。这样，对于IV类构件，不进行检测，视为无承载能力的梁；对于IIb、III类构件，可以详细调查包括起火时间、部位、蔓延路径、燃烧特点和持续时间、灭火措施、可燃物种类、特性、数量、分布、燃烧环境、通风条件和残留物状况等的火灾参数，并执行步骤S1；对于IIa类构件，承载力可按过火前计算，不需采取加固措施或仅采取提高耐久性的措施。
步骤S2：在火灾动力学模拟软件FDS中基于火场参数生成火场温度曲线，并根据所述火场温度曲线确定混凝土构件温度场分布，所述火场温度曲线为模拟火场温度变化的过程曲线，其中，火灾参数为从火场获取的实际参数，包括火灾荷载、通风方式、消防设施的一种或者多种。
在一些实施方式中，在火灾动力学模拟软件FDS中基于火场参数生成火场温度曲线包括如下步骤：
根据火灾参数在火灾动力学模拟软件FDS中建立火灾现场模拟模型；
根据火灾现场模拟模型以及预置的燃烧参数、边界条件和火源确定火场温度分布；
对混凝土构件周围区域的空气温度取平均，生成火场温度曲线。
其中，预置的燃烧参数、边界条件和火源输入基于火场实际情况予以设定。
火灾动力模拟器(Fire Dynamics Simulator，简称FDS)为一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件，可以模拟火灾端流的流动过程，由美国国家标准技术研究所开发应用于民用住宅或者工业建筑的火灾后重建和修复的设计方面，其采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的纳维-斯托克斯方程。FDS输入文件包括计算域的大小、数字栅格的大小、计算域内物体的几何形状、火源的设定、燃料类型、热释放速率、材料的热物性、边界条件等，输出参数主要是密度、温度、压力、热释放速率、燃烧产物的浓度、混合分数以及热对流和辐射对流等。
在一些实施方式中，根据火场温度曲线确定混凝土构件截面的温度场分布包括：
通过有限元法建立混凝土构件热传递分析模型；
根据热传递分析模型、混凝土热工参数以及传热计算参数确定混凝土构件温度场分布。
其中，混凝土热工参数包括热传导系数和比热，热传导系数和比热基于我国《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249-2017)确定；传热计算参数包括辐射率和对流系数，辐射率为0.8，对流系数为35瓦/米·摄氏度，也即35W/mK。
在实际中，通过有限元法建立混凝土构件热传递分析模型可以通过有限元数值模拟软件ABAQUS实现，其中，ABAQUS是一款通用的模拟工具，其包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能。值得注意的是，ABAQUS软件除了能解决大量结构问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导等。
步骤S3：根据等温线法以及所述温度场分布将所述混凝土构件分层，并得到不同层混凝土的历经最高平均温度。
请参阅图2，示例地，图2示出了一个三面受火后混凝土梁的分层模型，其包括第一层1、第二层2、第三层3、第四层4、直至第n层。
值得注意的是，黑色点为钢筋200。区域n+1为历经最高温度不超过阈值温度的区域，并不是分层模型中的层。
在一些实施方式中，阈值温度优选为20度。
步骤S4：根据不同位置处的钢筋和所述不同层混凝土的历经最高平均温度查询获取所述钢筋和不同层混凝土的灾后力学性能参数。
在实际中，可以直接通过中国工程建设协会制定的《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS 252:2009)查询获取钢筋和不同层混凝土的灾后力学性能参数。
步骤S5：通过所述灾后力学性能测试参数以及所述灾后力学性能参数确定火灾后混凝土构件的承载力。
具体地，步骤S5包括：
通过灾后力学性能测试参数以及灾后力学性能参数确定混凝土构件中的钢筋和混凝土的力学性能参数；
基于平截面假定以及混凝土构件中钢筋和混凝土的力学性能参数计算出火灾后混凝土构件的承载力。
值得注意的是，从理论上对于由钢筋和混凝土组成的构件，由于材料的非均匀性和可能存在的裂缝平截面假定不适用，但是大量试验证明，沿梁轴线取出一段或者相邻裂缝间距范围内的平均应变仍满足此假定。因此仍可采用该平截面假定获取承载力。
在一些实施方式中，步骤S5可以通过计算机编程实现。
与现有技术相比，本发明实施例一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法具有如下有益效果：
本发明实施例一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法采用将灾后力学性能测试参数与经过FDS、有限元热传递以及分层模型等的得到的混凝土构件的灾后力学性能参数相结合确定火灾后混凝土构件的承载力的方式，解决了现有的检测与评估方法不能定量地给出火灾后混凝土构件的承载力的问题。同时，与仅通过钻取混凝土芯样、截取钢筋试验等方法来确定火灾后混凝土和钢筋的力学性能相比，本发明还能够实现较大反映火灾现场混凝土构件性能的真实退化情况。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种火灾后混凝土构件承载能力评估方法，其特征在于，该火灾后混凝土构件承载能力评估方法包括如下步骤：
步骤S1：对采集的火灾后的钢筋式样以及混凝土芯样做力学性能测试得到所述钢筋式样以及混凝土芯样的灾后力学性能测试参数；
步骤S2：在火灾动力学模拟软件FDS中基于火场参数生成火场温度曲线，并根据所述火场温度曲线确定混凝土构件温度场分布，所述火场温度曲线为模拟火场温度变化的过程曲线；
步骤S3：根据等温线法以及所述温度场分布将所述混凝土构件分层，并得到不同层混凝土的历经最高平均温度：
步骤S4：根据不同位置处的钢筋和所述不同层混凝土的历经最高平均温度查询获取所述钢筋和不同层混凝土的灾后力学性能参数；
步骤S5：通过所述灾后力学性能测试参数以及所述灾后力学性能参数确定所述混凝土构件中的钢筋和混凝土的力学性能参数；
基于平截面假定以及所述混凝土构件中钢筋和混凝土的力学性能参数计算出火灾后混凝土构件的承载力。
2.如权利要求1所述的火灾后混凝土构件承载能力评估方法，其特征在于，所述在火灾动力学模拟软件FDS中基于火场参数生成火场温度曲线包括：
根据火灾参数在火灾动力学模拟软件FDS中建立火灾现场模拟模型；
根据所述火灾现场模拟模型以及预置的燃烧参数、边界条件和火源确定火场温度分布；
对混凝土构件周围区域的空气温度取平均，生成火场温度曲线。
3.如权利要求1或2所述的火灾后混凝土构件承载能力评估方法，其特征在于，所述火灾参数包括火灾荷载、通风方式、消防设施的一种或者多种。
4.如权利要求1所述的火灾后混凝土构件承载能力评估方法，其特征在于，所述根据所述火场温度曲线确定所述混凝土构件温度场分布包括：
通过有限元法建立所述混凝土构件热传递分析模型；
根据所述热传递分析模型、混凝土热工参数以及传热计算参数确定所述混凝土构件温度场分布。
5.如权利要求4所述的火灾后混凝土构件承载能力评估方法，其特征在于，所述混凝土热工参数包括热传导系数和比热，所述热传导系数和比热基于我国《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249-2017)确定。
6.如权利要求4所述的火灾后混凝土构件承载能力评估方法，其特征在于，所述传热计算参数包括辐射率和对流系数，所述辐射率为0.8，所述对流系数为35W/mK。
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