CN111625888A - 一种考虑火灾裂缝影响混凝土t形梁残余承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，涉及火灾后建筑物承载力计算方法技术领域，所述的计算方法包括：步骤1、火灾裂缝深度和宽度的计算；步骤2、根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算；步骤3、根据带裂缝的混凝土T形梁截面温度场，综合影响因素，计算火灾后T形梁残余承载力，并获得残余承载力预测简化公式。本发明是计算火灾后带裂缝的混凝土T形梁残余承载力的方法，综合考虑高温、裂缝对残余承载力的影响，得出考虑裂缝影响的混凝土T形梁火灾后残余承载力简化计算公式，有效提高了残余承载力的计算精度。

Description

一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法

技术领域

本发明涉及火灾后建筑物承载力计算方法技术领域，具体涉及一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法。

背景技术

现有技术中，经常用到的一种残余承载力计算方法，对已知现有钢筋混凝土矩形梁火灾后静载试验提出的关于承载能力进行计算，这种计算方法源于混凝土梁的平衡方程：

式中：

为火灾后试验梁截面迎火面角部混凝土的抗压强度；b_i为混凝土换算截面第i层宽度；Δh为混凝土换算截面每层高度,Δh＝h/n；h′为换算截面第k-1层受压混凝土高度；

为火灾后试验梁中拉区钢筋屈服强度、压区钢筋屈服强度；混凝土梁受压区高度x＝(n-k+1)Δh+Δh。

若x≥2a′_s时，火灾后混凝土梁正截面受弯承载力

按下式计算：

式中：α₁为受压区边缘混凝土强度影响系数，按GB50010-2002《混凝土结构设计规范》计算。

若x<2a′_s时，火灾后混凝土梁正截面受弯承载力为：

上述承载能力的计算方法存在很大缺点，即裂缝的存在对T形梁温度有明显提高作用，忽略裂缝影响将导致截面温度场计算不准确，进而影响灾后残余承载力的计算精度。此种计算方法是没有考虑火灾裂缝影响的，而在实际工程中，T形梁结构遭受火灾，大部分情况都是结构带裂缝承受荷载工作，如果想要得到精确可靠的计算结果，需要一种考虑火灾裂缝的混凝土T形梁残余承载力的计算方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，该方法结合试验和数值方法确定火灾下裂缝大小和分布，确定考虑裂缝影响的火灾下截面温度场，以及确定不同因素对火灾后钢筋混凝土T形截面简支梁承载力的影响，最后综合各因素进行试件火灾后残余承载力计算。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，所述的计算方法包括：

步骤1、火灾裂缝深度和宽度的计算；

步骤2、根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算；

步骤3、根据带裂缝的混凝土T形梁截面温度场，综合影响因素，计算火灾后T形梁残余承载力，并获得残余承载力预测简化公式。

优选的，所述的步骤1中包括如下具体步骤：

1.1、火灾试验的模拟；

1.2、裂缝宽度的计算；

1.3、裂缝深度的计算；

1.4、获取挠度数据、确定最大挠度。

优选的，所述的具体步骤1.1中，利用有限元分析软件ABAQUS建立模型；

所述的模型以进行标准火灾下不考虑荷载裂缝的混凝土T形梁温度场模拟，提取30min,60min,90min,120min的温度场；

所述的火灾试验的模拟采用9根混凝土T形梁进行火灾静载试验，另外一根作为对比，进行无火灾对照试验，所述的9根混凝土T形梁分为3组，每组3根，分别进行60min、90min、120min的恒载升温火灾试验，其中任意一组的3根混凝土T形梁中，载荷比分别为0、12％、44％，0(q为均布荷载，q＝0)代表无荷载状态，12％(q＝3.84kN/m)代表未开裂状态，44％(q＝13.76kN/m)代表正常使用状态，并均采用加载块在梁顶面均匀施加荷载。

优选的，所述的具体步骤1.1中，火灾试验的模拟包括：(1)、无裂缝温度场模拟；(2)、无裂缝热力耦合模拟；

所述的(1)中，混凝土采用实体单元，钢筋采用杆单元进行建模，进行热分析时，混凝土采用的网格单元类型为DC3D8，具有3个自由度8节点线性传热实体单元，钢筋采用的网格单元类型为DC1D2，具有1个自由度2节点线性传热实体单元；钢筋与混凝土采用绑定(Tie)连接，绑定能够使混凝土温度传递至钢筋，受火面为腹板及翼缘底面，使试验条件符合试件实际火灾状态，将试验中的T形梁温度与模拟的T形梁温度绘制于同一坐标系中，测点位置均为跨中截面测点6处温度，并对有限元计算温度测点与试验温度测点进行对比，得到T形梁温度分布数据；

所述的(2)中，包括：将获得的温度场结果导入至荷载分析步中，并计算热力耦合作用下混凝土应变，为后续裂缝计算奠定基础。

优选的，所述的步骤1.2中，包括(1)、根据热力耦合计算的结果，提取裂缝处总应变及热应变，并计算开裂应变；(2)、裂缝分布及宽度的计算；

所述的(1)中，以有限元分析为基础，提取裂缝处总应变及热应变，并计算开裂应变(如何提取：根据应变图，如图7所示)；所述的开裂应变的计算采用公式(1)，引入开裂应变ε_ck：

ε_ck＝ε_tatal-ε_th-ε_mec (1)

式中，ε_tatal—总应变；ε_th—热应变；ε_mec，0—力学峰值拉应变，即初始开裂时应变；

公式(1)适用于各受火时间段的开裂应变计算，以受火时间为120minT形梁为例说明裂缝计算，受火时间120min时跨中梁底总应变ε_tatal、热应变ε_th分别为0.03121、0.01544，混凝土峰值应变受温度影响，常温下混凝土峰值拉应变ε_mec,0为0.00015，裂缝处混凝土最高温约870℃，根据文献可得高温下混凝土的峰值应变为0.000411，由此可得开裂应变ε_ck为0.01536；

所述的(2)中，根据已有文献及火灾试验研究预设合理的裂缝条数为5条，根据梁的底部拉裂缝分布规律，跨中裂缝宽度最大，除支座处不设裂缝区段，剩余区段均布裂缝。

优选的，所述的具体步骤1.3中，裂缝深度的计算包括分层(1)、提取总应变、及热应变的步骤(如何提取：根据应变图，如图11、12、13所示)；(2)、通过沿梁截面高度方向的网格划分确定裂缝深度，将T形梁模型的不同层数混凝土网格隐藏，取出距离梁底不同高度处混凝土结点的应变，并计算各点对应的开裂应变，根据开裂应变是否为0，若开裂应变不是0，继续隐藏一层混凝土，直至计算到开裂应变是0的深度，此结点位置即为裂缝深度终点位置，该结点距离梁底表面的距离即为裂缝深度，若两相邻结点开裂应变正负异号，可采用线性插值计算内部开裂应变为零的点。

优选的，所述的具体步骤1.4中，所述的获取挠度数据、确定最大挠度的方法为，热力耦合模拟是在温度模拟结果下进行荷载分析数值模拟，从有限元分析软件ABAQUS中获得的挠度数据，由于“试验值”的曲线走势与“含降温段”以及“升温段”的走势大致相同，最大挠度值与模拟值基本一致，采用该方法进行结构构件的热-力耦合模拟，可获得最大挠度值，具有一定的工程应用价值。

优选的，所述的步骤2中，根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算的方法为；将计算所得裂缝数据，即裂缝的宽度、深度、分布位置带入到ANSYS有限元分析软件，建立带裂缝的有限元模型，之后进行带裂缝混凝土T形梁截面温度场计算。

优选的，所述的步骤3中包括如下具体步骤：

(1)、根据温度场及裂缝的分布，将混凝土T形梁试件的截面分为3层，即损坏层、损伤层、未损层，所述的损坏层为试件截面温度高于800℃的部分，混凝土强度为0；所述的损伤层为试件截面温度在300℃-800℃部分，混凝土强度按照文献进行折减；所述的未损层为试件截面温度低于300℃部分，混凝土强度取常温数值；

(2)、根据不同层的划分进行等效截面的确定，高温后钢筋混凝土梁抗弯承载力计算均选取各截面点的最高温度进行相关承载力的计算；

截面承载力计算时，利用先前带裂缝的温度场，将T形截面等效为常温均质截面；考虑停火时300℃和800℃等温线影响，依据截面承载力等效原则和混凝土温度强度比例，对两个温度区段的截面宽度进行折减获得等效于常温混凝土的截面宽度；

经折减后的T形梁等效截面残余承载力计算可按照经典的截面弯矩平衡公式进行承载力计算，其中混凝土的抗压强度取常温值即可；钢筋位置不变，屈服强度根据其所处位置的温度参考已有关系模型进行取值；

(3)、综合考虑影响因素，改变构件参数(参数包括高宽比、荷载比、配筋率、保护层厚度)，进行反复数值模拟的数值模拟分析确定截面温度场，而后，根据所述具体步骤(2)的思路计算参数变化下的火灾后残余承载力；确定各因素对承载力的影响大小；

(4)、获得残余承载力预测简化公式：采取所选关键参数，即高宽比H/B、荷载比L以及配筋率ρ，进行钢筋混凝土T形梁120min火灾后残余承载力简化公式的拟合，采用统计分析软件SPSS进行残余承载力公式的拟合，获得120min火灾试验残余承载力简化公式如下：

式中，M^T为受火后承载力，M_u为常温承载力；H/B为高宽比；ρ为配筋率；P/P_u为荷载比，该式的相关性系数R值为0.914；为了合理计算混凝土T形梁残余承载力(3)式需要满足一定的适用范围：2.5≤H/B≤3.7，0.9≤ρ≤1.2，0.2≤P/P_u≤0.6；同理，可获得90min，60min，30min火灾试验残余承载力简化公式(4)、(5)、(6)，分别为：

(4)、(5)、(6)式的R分别均为0.800；标准差估算误差分别为0.043、0.0396、0.0356。

本发明考虑火灾裂缝影响的混凝土T形梁残余承载力计算方法具有如下有益效果：

考虑火灾裂缝的混凝土T形梁残余承载力计算方法是综合考虑混凝土T形梁截面温度场、裂缝的宽度深度、受火时间、荷载比、高跨比、配筋率等众多因素对梁残余承载力的影响，得出影响残余承载力的关键参数，最终得出混凝土T形梁残余承载力近似计算公式。

相对于现有的残余承载力计算，本发明所考虑的高温、裂缝对混凝土T形梁残余承载力影响是根据实际工程遭受火灾的过程和火灾后的状况考虑的，结构遭受火灾时结构都是承受荷载作用并且带裂缝工作的，所以本发明相比起现有技术更具有实用性，用本计算方法计算所得的火灾后梁的承载力与实际承载力误差会更小，计算结果更加准确，安全性更高，对于评估结构火灾后的状态更加可靠。

为了更接近实际火灾状况和研究火灾后钢筋混凝土各因素对残余承载力的影响，本发明研究先采用有限元分析软件对梁进行温度场模拟，将温度场结果导入到荷载分析步然后进行热力耦合，确定混凝土的应变计算出裂缝高度和宽度，将此裂缝数据带入模型，得出带裂缝混凝土T形梁温度场。这样才能更准确的考虑混凝土受火情况，进而保证火灾后残余承载力计算更加准确。对于不同配置的钢筋混凝土T形梁进行了多参数研究，得到了承载力在荷载比、高宽比、配筋率不同因素下的变化规律，对于梁的配筋、截面等结构设计在抗火方面提供了可靠的理论基础，产生了显著的有益效果。

附图说明

图1：本发明的计算思路框图；

图2：本发明的裂缝深度和宽度计算的流程图；

图3：为构件信息及热电偶位置图；

图4：为60min混凝土截面温度场图；

图5：为:120min混凝土截面温度场图；

图6：为T形梁温度试验值与模拟值对比图；

图7：为挠度曲线图；

图8：为跨中受拉区(L0)热应变、总应变随时间变化图；

图9：为总裂缝宽度分区(mm)图；

图10：为隐藏2层混凝土模型图；

图11：为受拉区(L0，隐藏2层混凝土)热应变、总应变随时间变化图；

图12：为L0，隐藏4层混凝土应变图；

图13：为L0，隐藏5层混凝土应变图；

图14：为60min无裂缝温度场；

图15：为60min带裂缝温度场；

图16：为300℃及800℃等温线图；

图17：为等效截面图；

图18：为高宽比-配筋率与承载力关系图；

图19：为荷载比-配筋率与承载力关系图；

图20：为保护层厚度-荷载比与承载力关系图；

图21：为保护层厚度-配筋率与承载力关系图；

图22：为公式值与模拟值汇总比较图；

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在一个实施例中，如图1所示，一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，所述的计算方法包括：

步骤1、火灾裂缝深度和宽度的计算；

步骤2、根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算；

步骤3、根据带裂缝的混凝土T形梁截面温度场，综合影响因素，计算火灾后T形梁残余承载力，并建立火灾后残余承载力简化计算方法，即残余承载力预测简化公式。

在进一步的实施例中，如图1、图2所示，所述的步骤1中包括如下具体步骤：

1.1、火灾试验的模拟；

1.2、裂缝宽度的计算，以确定裂缝宽度；

1.3、裂缝深度的计算，以确定裂缝深度；

1.4、获取挠度数据、确定最大挠度。

在进一步的实施例中，所述的具体步骤1.1中，利用有限元分析软件ABAQUS建立模型；

所述的模型以进行标准火灾下不考虑荷载裂缝的混凝土T形梁温度场模拟，提取30min,60min,90min,120min的温度场；

如图1所示，所述的火灾试验的模拟采用9根混凝土T形梁进行火灾静载试验，另外一根作为对比，进行无火灾对照试验，所述的9根混凝土T形梁分为3组，每组3根，分别进行60min、90min、120min的恒载升温火灾试验，其中任意一组的3根混凝土T形梁中，载荷比分别为0、12％、44％，0(q为均布荷载，q＝0)代表无荷载状态，12％(q＝3.84kN/m)代表未开裂状态，44％(q＝13.76kN/m)代表正常使用状态，并均采用加载块在梁顶面均匀施加荷载。

在进一步的实施例中，所述的具体步骤1.1中，火灾试验的模拟包括：(1)、无裂缝温度场模拟；(2)、无裂缝热力耦合模拟；相关实施中，具体的构件信息及热电偶位置见图3所示；

所述的(1)中，混凝土采用实体单元，钢筋采用杆单元进行建模，进行热分析时，混凝土采用的网格单元类型为DC3D8，具有3个自由度8节点线性传热实体单元，钢筋采用的网格单元类型为DC1D2，具有1个自由度2节点线性传热实体单元；钢筋与混凝土采用绑定(Tie)连接，绑定能够使混凝土温度传递至钢筋，受火面为腹板及翼缘底面，使试验条件符合试件实际火灾状态，相关实施中，部分温度场结果如图4、图5所示；将试验中的T形梁温度与模拟的T形梁温度绘制于同一坐标系中，测点位置均为跨中截面测点6处温度，如图6所示，对有限元计算温度测点与试验温度测点进行对比，得到T形梁温度分布数据；

所述的(2)中，包括：将获得的温度场结果导入至荷载分析步中，并计算热力耦合作用下混凝土应变，为后续裂缝计算奠定基础；热力耦合模拟是在温度模拟结果下进行荷载分析数值模拟，将模拟挠度曲线与试验所测挠度曲线绘制于同一坐标系中，如图7所示，由图7也可以发现“试验值”的曲线走势与“含降温段”以及“升温段”的走势大致相同，最大挠度值与模拟值基本一致，采用该方法进行结构构件的热-力耦合模拟，可获得最大挠度值，具有一定的工程应用价值。

在进一步的实施例中，所述的步骤1.2中，包括(1)、根据热力耦合计算的结果，提取裂缝处总应变及热应变，并计算开裂应变；(2)、裂缝分布及宽度的计算；

所述的(1)中，以有限元分析为基础，提取裂缝处总应变及热应变，并计算开裂应变(如何提取：根据应变图，如图7所示)；所述的开裂应变的计算采用公式(1)，引入开裂应变ε_ck：

ε_ck＝ε_tatal-ε_th-ε_mec (1)

式中，ε_tatal—总应变；ε_th—热应变；ε_mec，0—力学峰值拉应变，即初始开裂时应变；

公式(1)适用于各受火时间段的开裂应变计算，以受火时间为120minT形梁为例说明裂缝计算，受火时间120min时跨中梁底总应变ε_tatal、热应变ε_th分别为0.03121、0.01544，混凝土峰值应变受温度影响，常温下混凝土峰值拉应变ε_mec,0为0.00015，裂缝处混凝土最高温约870℃，根据文献可得高温下混凝土的峰值应变为0.000411，由此可得开裂应变ε_ck为0.01536；如图8所示，为以有限元分析为基础，将数值模拟跨中截面总应变及热应变的曲线展示；

所述的(2)中，根据已有文献及火灾试验研究预设合理的裂缝条数为5条，根据梁的底部拉裂缝分布规律，跨中裂缝宽度最大，除支座处不设裂缝区段，剩余区段均布裂缝，如图9所示。

在进一步的实施例中，所述的具体步骤1.3中，裂缝深度的计算包括分层(1)、提取总应变、及热应变的步骤(如何提取：根据应变图，如图11、12、13所示)；(2)、通过沿梁截面高度方向的网格划分确定裂缝深度，将T形梁模型的不同层数混凝土网格隐藏，取出距离梁底不同高度处混凝土结点的应变，并计算各点对应的开裂应变，根据开裂应变是否为0，若开裂应变不是0，继续隐藏一层混凝土，直至计算到开裂应变是0的深度，此结点位置即为裂缝深度终点位置，该结点距离梁底表面的距离即为裂缝深度，若两相邻结点开裂应变正负异号，可采用线性插值计算内部开裂应变为零的点；

以受火时间为120min的T形梁跨中L0为例，首先将T形梁模型底部2层混凝土进行隐藏，原模型应变如前文所述，隐藏2层混凝土的模型(图10)底部中间结点的开裂应变曲线如图11所示，可看出总应变及热应变较原模型均有不同程度的减小；由数据可知隐藏2层单元的底部中点混凝土总应变及热应变值分别为0.014331,0.005612，高温约790℃，高温混凝土峰值拉应变ε_mec取值为0.00039，可计算的开裂应变ε_ck为8.329×10^-3。由此可知裂缝深度在此并未终止；之后继续将上2层混凝土网格隐藏(共隐藏4层混凝土)，计算其开裂应变，看其开裂应变ε_ck结果是否达到0。经计算隐藏4层单元的底部中点热应变及热应变值分别为7.72952×10^-3，2.418×10^-3，高温约705℃，高温混凝土峰值拉应变ε_mec取值为0.00036，可计算得开裂应变ε_ck为4.952×10^-3，开裂应变ε_ck结果未达到预定值0；因计算结果已较为接近0，故再次隐藏1层混凝土网格(共隐藏5层混凝土)，计算开裂应变为-2.5215×10^-4；模型建立时已知网格大小，腹板由下至上网格高度为20,20,40,40,40,40。由隐藏网格层数可知，裂缝深度终止在倒数第二个40处。由倒数第三个40处的混凝土应变大小以及倒数第二个40处的混凝土应变大小进行线性插值，计算如下：

令y＝0，可解的x＝38.06；

由此可计算L0区域最大裂缝深度，裂缝深度为：s＝20+20+40+40+38.06＝158.06mm。

在进一步的实施例中，如图2所示，所述的具体步骤1.4中，所述的获取挠度数据、确定最大挠度的方法为，热力耦合模拟是在温度模拟结果下进行荷载分析数值模拟，从软件中获得的挠度数据，由于“试验值”的曲线走势与“含降温段”以及“升温段”的走势大致相同，最大挠度值与模拟值基本一致，采用该方法进行结构构件的热-力耦合模拟，可获得最大挠度值；在本实施例中，获取挠度数据，确定最大挠度具有一定的工程应用价值。

在进一步的实施例中，所述的步骤2中，根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算的方法为；将计算所得裂缝数据，即裂缝的宽度、深度、分布位置带入到ANSYS有限元分析软件，建立带裂缝的有限元模型，之后进行带裂缝混凝土T形梁截面温度场计算；

如图14、图15所示温度场结果可发现，裂缝的存在对温度场是有明显影响的，存在裂缝的T形梁温度明显高于无裂缝的T形梁，进行残余承载力计算时有必要考虑裂缝的存在对于温度场的影响。

在进一步的实施例中，所述的步骤3中包括如下具体步骤：

(1)、根据温度场及裂缝的分布，将混凝土T形梁试件的截面分为3层，即损坏层、损伤层、未损层，所述的损坏层为试件截面温度高于800℃的部分，混凝土强度为0；所述的损伤层为试件截面温度在300℃-800℃部分，混凝土强度按照文献进行折减；所述的未损层为试件截面温度低于300℃部分，混凝土强度取常温数值；

(2)、根据不同层的划分进行等效截面的确定，高温后钢筋混凝土梁抗弯承载力计算均选取各截面点的最高温度进行相关承载力的计算；

截面承载力计算时，利用先前带裂缝的温度场，将T形截面等效为常温均质截面；考虑停火时300℃和800℃等温线影响，依据截面承载力等效原则和混凝土温度强度比例，对两个温度区段的截面宽度进行折减获得等效于常温混凝土的截面宽度；在具体实施中，火灾试验温度分布如图16所示，等效界面如图17所示；

经折减后的T形梁等效截面残余承载力计算可按照经典的截面弯矩平衡公式进行承载力计算，其中混凝土的抗压强度取常温值即可；钢筋位置不变，屈服强度根据其所处位置的温度参考已有关系模型进行取值；

(3)、综合考虑影响因素，改变构件参数(所述的构件参数包括：构件的高宽比、荷载比、配筋率、保护层厚度)，进行反复数值模拟的数值模拟分析确定截面温度场，而后，根据所述具体步骤(2)的思路计算参数变化下的火灾后残余承载力；确定各因素对承载力的影响大小；在具体实施中，将不同因素对承载力的影响如图18所示；由图18可以看出，当配筋率一定时，承载力随着高宽比的增长而增长，两者基本呈线性关系发展，不同配筋率具有相似的增长关系；从图中还可以看出，当高宽比一定时，配筋率越大承载力越大，高宽比与配筋率对承载力的影响基本成线性关系，对承载力影响较大，3种荷载比中高宽比-配筋率与承载力的关系曲线基本一致；由图19可以看出，同一配筋率下钢筋混凝土T形梁的荷载比越大其遭受火灾(高温)后残余承载能力越低，当荷载比一定时随着配筋率的降低，残余承载力降幅明显，上述附图中均有相似规律，并且配筋率越小，残余承载力的降幅越明显；然而由图20、图21可以看出，保护层厚度对于承载力的曲线斜率平缓，对承载力影响较小，因此保护层厚度非关键参数，在获得残余承载力预测简化公式的过程中不需考虑此因素；

(4)、获得残余承载力预测简化公式：采取所选关键参数高宽比H/B、荷载比L以及配筋率ρ，进行钢筋混凝土T形梁120min火灾后残余承载力简化公式的拟合，采用统计分析软件SPSS进行残余承载力公式的拟合，获得120min火灾试验残余承载力简化公式如下：

式中，M^T为受火后承载力，M_u为常温承载力；H/B为高宽比；ρ为配筋率；P/P_u为荷载比，该式的相关性系数R值为0.914；为了合理计算混凝土T形梁残余承载力(3)式需要满足一定的适用范围：2.5≤H/B≤3.7，0.9≤ρ≤1.2，0.2≤P/P_u≤0.6；同理，可获得90min，60min，30min火灾试验残余承载力简化公式(4)、(5)、(6)，分别为：

(4)、(5)、(6)式的R分别均为0.800；标准差估算误差分别为0.043、0.0396、0.0356。

如图22所示，图中呈现了简化公式计算结果与火灾试验数据的对比情况，选取其他工况进行验证分析，也能够获得满足精度的结果，说明该公式有一定的工程应用价值；

通过上述试验以及数值模拟，采用等效截面法能够算出混凝土T形梁的残余承载力；采用数值模拟的方法，对多种工况下的混凝土T形梁分别计算其承载能力，找出影响残余承载力的关键参数，通过统计分析软件回归得到残余承载力与关键参数的函数关系式，将验证工况以及试验工况带入到关系式中，能够近似计算出该工况下的残余承载力，满足精度要求。

实验例：

依据本发明所公开的计算方法，进行火灾后混凝土T形梁残余承载力计算的相关实验数据如下：

1、裂缝相关数据：

表1裂缝宽度相关数据

表2裂缝深度相关数据

2、残余承载力影响因素分析：

表3不同工况下混凝土T形梁裂缝宽度、深度(mm)

3、承载力折减系数：

表4受火时间120min梁部分承载力折减系数

表5受火时间90min梁部分承载力折减系数

Claims (9)

1.一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的计算方法包括：

步骤1、火灾裂缝深度和宽度的计算；

步骤2、根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算；

步骤3、根据带裂缝的混凝土T形梁截面温度场，综合影响因素，计算火灾后T形梁残余承载力，并获得残余承载力预测简化公式。

2.如权利要求1所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的步骤1中包括如下具体步骤：

1.1、火灾试验的模拟；

1.2、裂缝宽度的计算；

1.3、裂缝深度的计算；

1.4、获取挠度数据、确定最大挠度。

3.如权利要求2所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的具体步骤1.1中，利用有限元分析软件ABAQUS建立模型；

所述的模型以进行标准火灾下不考虑荷载裂缝的混凝土T形梁温度场模拟，提取30min,60min,90min,120min的温度场；

所述的火灾试验的模拟采用9根混凝土T形梁进行火灾静载试验，另外一根作为对比，进行无火灾对照试验，所述的9根混凝土T形梁分为3组，每组3根，分别进行60min、90min、120min的恒载升温火灾试验，其中任意一组的3根混凝土T形梁中，载荷比分别为0、12％、44％，0代表无荷载状态，12％代表未开裂状态，44％代表正常使用状态，并均采用加载块在梁顶面均匀施加荷载。

4.如权利要求3所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的具体步骤1.1中，火灾试验的模拟包括：(1)、无裂缝温度场模拟；(2)、无裂缝热力耦合模拟；

所述的(1)中，混凝土采用实体单元，钢筋采用杆单元进行建模，进行热分析时，混凝土采用的网格单元类型为DC3D8，具有3个自由度8节点线性传热实体单元，钢筋采用的网格单元类型为DC1D2，具有1个自由度2节点线性传热实体单元；钢筋与混凝土采用绑定连接，绑定能够使混凝土温度传递至钢筋，受火面为腹板及翼缘底面，使试验条件符合试件实际火灾状态，将试验中的T形梁温度与模拟的T形梁温度绘制于同一坐标系中，测点位置均为跨中截面测点6处温度，并对有限元计算温度测点与试验温度测点进行对比，得到T形梁温度分布数据；

所述的(2)中，包括：将获得的温度场结果导入至荷载分析步中，并计算热力耦合作用下混凝土应变，为后续裂缝计算奠定基础。

5.如权利要求4所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的步骤1.2中，包括(1)、根据热力耦合计算的结果，提取裂缝处总应变及热应变，并计算开裂应变；(2)、裂缝分布及宽度的计算；

所述的(1)中，以有限元分析为基础，提取裂缝处总应变及热应变，并计算开裂应变；所述的开裂应变的计算采用公式(1)，引入开裂应变ε_ck：

ε_ck＝ε_tatal-ε_th-ε_mec (1)

式中，ε_tatal—总应变；ε_th—热应变；ε_mec，0—力学峰值拉应变，即初始开裂时应变；

所述的(2)中，根据已有文献及火灾试验研究预设合理的裂缝条数为5条，根据梁的底部拉裂缝分布规律，跨中裂缝宽度最大，除支座处不设裂缝区段，剩余区段均布裂缝。

6.如权利要求5所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的具体步骤1.3中，裂缝深度的计算包括分层(1)、提取总应变、及热应变的步骤；(2)、通过沿梁截面高度方向的网格划分确定裂缝深度，将T形梁模型的不同层数混凝土网格隐藏，取出距离梁底不同高度处混凝土结点的应变，并计算各点对应的开裂应变，根据开裂应变是否为0，若开裂应变不是0，继续隐藏一层混凝土，直至计算到开裂应变是0的深度，此结点位置即为裂缝深度终点位置，该结点距离梁底表面的距离即为裂缝深度，若两相邻结点开裂应变正负异号，采用线性插值计算内部开裂应变为零的点。

7.如权利要求6所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的具体步骤1.4中，所述的获取挠度数据、确定最大挠度的方法为从有限元分析软件ABAQUS中获得的挠度数据。

8.如权利要求7所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的步骤2中，根据火灾裂缝的深度和宽度的计算结果，对带裂缝的混凝土T形梁截面温度场进行模拟计算的方法为；将计算所得裂缝数据，即裂缝的宽度、深度、分布位置带入到ANSYS有限元分析软件，建立带裂缝的有限元模型，之后进行带裂缝混凝土T形梁截面温度场计算。

9.如权利要求8所述的一种考虑火灾裂缝影响混凝土T形梁残余承载力计算方法，其特征为：所述的步骤3中包括如下具体步骤：

(1)、根据温度场及裂缝的分布，将混凝土T形梁试件的截面分为3层，即损坏层、损伤层、未损层，所述的损坏层为试件截面温度高于800℃的部分，混凝土强度为0；所述的损伤层为试件截面温度在300℃-800℃部分，混凝土强度按照文献进行折减；所述的未损层为试件截面温度低于300℃部分，混凝土强度取常温数值；

(2)、根据不同层的划分进行等效截面的确定，高温后钢筋混凝土梁抗弯承载力计算均选取各截面点的最高温度进行相关承载力的计算；

截面承载力计算时，利用先前带裂缝的温度场，将T形截面等效为常温均质截面；考虑停火时300℃和800℃等温线影响，依据截面承载力等效原则和混凝土温度强度比例，对两个温度区段的截面宽度进行折减获得等效于常温混凝土的截面宽度；

经折减后的T形梁等效截面残余承载力计算可按照经典的截面弯矩平衡公式进行承载力计算，其中混凝土的抗压强度取常温值即可；钢筋位置不变，屈服强度根据其所处位置的温度参考已有关系模型进行取值；

(3)、综合考虑影响因素，改变构件参数，进行反复数值模拟分析确定截面温度场，而后，根据所述具体步骤(2)的思路计算参数变化下的火灾后残余承载力；确定各因素对承载力的影响大小；

(4)、获得残余承载力预测简化公式：采取关键参数，所述的关键参数即高宽比H/B、荷载比L以及配筋率ρ，通过关键参数进行钢筋混凝土T形梁120min火灾后残余承载力简化公式的拟合，采用统计分析软件SPSS进行残余承载力公式的拟合，获得120min火灾试验残余承载力简化公式如下：

式中，M^T为受火后承载力，M_u为常温承载力；H/B为高宽比；ρ为配筋率；P/P_u为荷载比，该式的相关性系数R值为0.914；为了合理计算混凝土T形梁残余承载力(3)式需要满足一定的适用范围：2.5≤H/B≤3.7，0.9≤ρ≤1.2，0.2≤P/P_u≤0.6；同理，可获得90min，60min，30min火灾试验残余承载力简化公式(4)、(5)、(6)，分别为：

(4)、(5)、(6)式的R分别均为0.800；标准差估算误差分别为0.043、0.0396、0.0356。

Images