CN1427138A - 提高支承系统在燃烧负荷下支承安全性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及支承系统在燃烧负荷下支承安全性的方法，通过计算燃烧期间材料特性的变化和燃烧后的剩余强度，以借助于刚体静力学获得的数据为基础，所述数据来源于构件的结构并涉及到像自重、水负载、土压力和有效负荷这些标准负荷状态的构件设计。

Description

提高支承系统在燃烧负荷下支承安全性的方法
静载荷的建筑物其结构上通常这样设计，使它们至少一段时间上能够承受像发生火灾时温度负荷增高这样可能出现的负面的环境影响。
为此目的，例如隧道式构件在其表面覆盖绝热垫，以延缓燃烧时隧道外层增温。
从近几年隧道燃烧物的损坏图片中发现，无论是无钢筋的混凝土结构还是钢筋混凝土的支承结构，对火灾的影响均具有某种承受潜力。证明这种承受潜力的一种相应的计算方法像证明岩石压力和其它载荷一样的原理为基础，然而至今没有公开。
由于国家机关在批准程序的过程中增加了对这类证明草案的敦促，所以本发明的目的是提供一种计算方法，它不使用复杂的数字方式便可发挥作用，并能够证明火灾期间和之后静载荷混凝土建筑物的支承安全性。
由此实现一个可靠的信息源，它提供混凝土建筑物在燃烧情况下坍塌之前其稳定性能保持多久这类信息。这种信息非常重要，以便了解从火灾开始到受灾人员撤离有哪个时间段可供使用或从何时起消防人员不再适于介入。
这一问题原则上适用于任何静载荷建筑物。然而，这里示范性地特别对隧道中燃烧物的问题进行研究。特别重要的是，证明市政工程中这种隧道设施的支承安全性，这里隧道外层的倒塌可能会引起直至建筑的表面塌落。如果知道，隧道盖与地平线之间的距离在这里仅有几米，可能约为7至15米的话，这一问题越加明显。
为了能够顾及燃烧负荷及其对支承结构的影响，在分析顺序中分为三个基本步骤：
-确定燃烧负荷
-计算构件中的温度梯度
-证明建筑物的支承安全性
为确定燃烧负荷，可以考虑预先确定的燃烧变化，或者考虑专门针对各种情况计算的燃烧负荷曲线，其中，这里要考虑交通或所运货物的类型。这些燃烧负荷曲线确定了温度随时间的变化。
利用由此预先确定的燃烧负荷，可以通过解微分方程式求得构件中依赖于时间的温度梯度。为此，也有解决这一热导问题的计算机程序可供使用。
所谓的标准负荷状况，像自重、水负载、土压力和有效载荷等的隧道外层的相应计算，通常是各种结构设计的开始。这些计算大多借助于线性刚体静力学进行。证明温度负荷同样按这一方法完成。
首先，确定构件，以一条钢筋混凝土隧道为例，在温度作用下的材料特征值。为此，为混凝土或者钢筋确定燃烧期间的特性和燃烧后的剩余强度。对此的前提条件是，对内部的钢筋位置进行相应保护。如果内部隔绝温度的钢筋位置没能防止过热，那么仍然不能得到剩余强度，因此也不能得到承受能力。钢筋的保护只能通过相当大的遮盖物实现。在此方面，或者通过表层钢筋或者通过附加聚丙烯纤维，对防止遮盖物的剥落具有重要意义。
取决于由每个瞬间t产生的温度梯度给出的、横截面中的温度T，得出横截面每个位置上的不同的材料特性。这样，为横截面中的每个点得出有效弹性模量(E-Modul)
Em＝f(T(f(t)))
其中弹性模数为温度的函数，该函数另一方面又是时间的函数。同一公式也适用于各自有效的混凝土或钢筋强度
sigma，m＝f(T(f(t)))。
这些在横截面上经常不同的材料特性此时通过横截面高度求积分，并得出带有此瞬间上温度负荷的横截面的总特性。
借助于一计算机程序，求出预先确定的极限膨胀状态的单个横截面特性的积分，并计算各种可能的支承负荷。由边缘膨胀变化形成的包络线然后得出支承负荷曲线。
正如为钢筋混凝土-支承负荷曲线通常采用的那样，单个横截面的承受能力取决于确定极限膨胀，其中，这里首先是提高允许的混凝土浸入占有很大部分。确定极限膨胀首先具有温度负荷横截面下的影响。
根据预计，温度负荷全部导致横截面承受能力减少，同时导致横截面不对称的承受特性，因为即使是几何形状对称的横截面的材料特性现在也是不对称的。正如所确定的那样，提高最大允许的混凝土浸入，使横截面承受能力并非无意义地提高。解释在于，虽然边缘上不会形成较高的有效的混凝土张力，但是在横截面较为冷却的内部范围，在更高的相关的混凝土浸入下会形成更大的负荷潜力。
与横截面的支承负荷一样，随着温度负荷的增加，横截面的刚性也在下降，它一方面取决于相关的弹性模量的下降，另一方面是由于温度超负荷横截面高度不断减少而产生的，因为横截面的所有部分均以700℃的温度负荷而脱落。
按照求得支承负荷时的意义，可以在每个部位上的横截面中通过确定各自有效的弹性模量求出总横截面刚性部分。
正如所提到的那样，利用这种具有线性刚体静力学的方法足够了。为保证这一点，必须改变横截面的温度负荷。
在线性刚体静力学中，只允许温度梯度的线性变化。正如所确定的那样，实际温度梯度与线性变化有很大不同。所以，一般情况下表层的温度负荷较强，横截面内部的其它部分和避开燃烧的横截面部分一般情况下几乎或者根本没有温度负荷。
同样，降低的材料特性只在提高的温度负荷的区域内才有意义，对于剩余横截面来说，原始的材料特性始终有效。
类似于求支承负荷时那样，可以对任何温度负荷确定一个内部的张力状态，它在每个部位上，一方面由当时存在的温度和此时出现的膨胀决定。另一方面，为每个点确定取决于温度的材料特性，由此从预先给出的温度梯度中计算出总负荷。
这些内部的切向力可以在后面的步骤中分别重新换算成等效的外部温度负荷，它们准确产生这些内部的切向变量，但不是相同的张力状态。
利用这些等效的温度负荷，现在可以借助于线性刚体静力学求得切向变量，并将从弯曲力矩和法向力中得出的其结果与支承负荷曲线区分开来。
利用所列举的这些计算步骤，现在获得了进行支承负荷证明的所有前提条件。等效的温度负荷附加给本来就有影响的负荷上，并借助于线性刚体静力学求得切向变量。这些切向变量的交互作用与各自横截面的支承负荷曲线区分开来，并由此产生支承安全性的证明。
如果此经过证明的该系统在火灾之后仍具有预先规定的安全性，直至实行相应的清理措施，也可以在火灾之后进行支承安全性的证明。
这一点随着通过燃烧负荷相应降低的无论是混凝土还是钢筋的材料特性产生。这一点在确定必要的钢筋时应这样考虑，可以求得无燃烧负荷，但有变化的刚性关系结构上的切向变量。然后测量证明利用降低的材料特性完成，其中要加上所要求的安全系数。
下面，借助一实施例并参考附图对本发明作详细说明。附图所示为：
图1    一幅依赖于时间的构件横截面中温度变化示意图，
图2    一幅燃烧开始时隧道横截面中切向力变化的示意图，
图3    相应于图2燃烧开始180分钟后的示意图，
图4    弯曲力矩高于法向力的示意图；以及
图5    本发明的方法流程的流程框图。
所给出的是普通的、弹性置放的、具有下列横截面尺寸的隧道横截面：
内层横截面＝40cm
钢筋内，外＝5cm2/m
混凝土质量B300
钢筋质量ST55
基础模数100.000kN/m2
内径约6m
重叠＝10m疏松土壤
水平面GOK以下2m
混凝土盖外＝5cm
混凝土盖内＝10cm
防护钢筋内，d＝3cm(用于限制温度影响下造成的剥落)
燃烧负荷始终环绕着隧道横截面。随着燃烧时间的增长，温度负荷侵入横截面中越来越深：
图1所示大致为一隧道壁的构件内时滞中的温度变化。水平轴线上，曝光表面的距离用厘米表示。垂直轴线上，温度用摄氏度表示，其中单条曲线表示曝光开始后3分钟，6分钟，9分钟，30分钟，60分钟及120分钟后的温度变化。
从自重、土压力和水负载情况中得出切向变量，其中，前提是安装最小的实验装置。图2所示为瞬间t＝0时一隧道剖面图中的切向力变化，就是说在由燃烧造成的负荷开始之前。
图3以类似的示意图示出了从燃烧开始起180分钟后的切向力，其中来自温度负荷的切向变量叠加。
在计算不同的瞬间t后表明，随着系统中法向力的不断增长可以进行计算，然而它随着燃烧时间的增长变得平直并取决于基础的刚性。
与此相反，首先是横截面中的瞬时负荷显著增长，并在最大值之后重新相当强地下降。事实表明这一点，在燃烧开始时，由温度梯度造成的内部负荷产生非常偏心的作用，经过一段燃烧时间后，虽然温度负荷始终还在增长，但是偏心作用明显减少。
证明支承安全性利用相关的支承负荷曲线进行。在所列举的例子中表明，横截面即使在180分钟的燃烧负荷之后始终仍具有＞1的支承安全性。
图4为一示意图，其中在水平轴线上，法向力以kN表示，在垂直轴线上，弯曲力矩以kNm表示。
由此可以证明，没有附加措施，横截面的可靠性即使是在燃烧期间也可保证具有＞1的安全性。
附加所列举的步骤应注意，在计算横截面部分的过程中，对其超过700摄氏度的温度负荷不予考虑。这一点符合所确定的材料特性。
依据本发明的计算模型放弃使用复杂的列出数字方程，并可以在基本材料力学和钢筋混凝土结构基础上借助于线性刚体静力学证明燃烧负荷下支承系统的支承安全性。
图5的流程框图中示出了依据本发明模型的计算过程。从步骤1确定燃烧负荷出发，步骤2中计算横截面的温度负荷，并在步骤3中计算时间步骤ti。此后在步骤4中计算所有时间步骤，以便能够在步骤5中确定燃烧后的状态。从中可以在步骤6中导出对结构的要求。
在细节上，步骤3可以理解为子程序，其中在一个8字形中，首先在步骤31中确定系统刚性，并在步骤32中确定温度和等效负荷，由此在步骤33中进行起始拉力计算，并在步骤34中测量构件，在步骤35中询问承受能力是否证明。如果是，该程序返回，如果否，返回步骤31。
利用这种计算模型，可以把设计时支承负荷计算缺少的步骤至少以较低的费用包括进去，并可以对像绝热措施和其它结构措施根据其影响进行研究。这类措施的纯经验式布置因此可以取消。还可以为垫和抹灰或防护混凝土形式下绝热的基本布置提供一种选择，它只与所防护的钢筋混凝土支承结构相关。

Claims (4)

1、证明支承系统在燃烧负荷下支承安全性的方法，通过计算燃烧期间材料特性的变化和燃烧后的剩余强度，以借助于刚体静力学获得的数据为基础，所述数据来源于构件的结构并涉及到像自重、水负载、土压力和有效负荷这些标准负荷状态的构件设计，其特征在于，计算温度影响下构件的输入值按如下方式确定
·通过确定燃烧负荷
·通过确定任意瞬间t并计算这一瞬间t整个横截面上的温度负荷以及
·通过确定温度影响下和燃烧影响后的材料特性，
其中，利用这些确定的数据，在构件横截面高度上，为这些时间步骤的每个步骤，在考虑到横截面的每个位置上不同的非线性的材料特性情况下，通过在确定的极限膨胀状态内的积分
·求得这一瞬间上该横截面的支承负荷曲线，这是求得横截面的承受能力，通过借助于支承负荷曲线确定弯曲力矩和法向力的相互作用
·将从温度负荷产生的内部切向力换算成等效的外部温度负荷，以及
·确定对所观察的横截面各自有效的系统刚性，这是弯曲刚性和膨胀刚性
并将借助于钢筋拉力计算得出的切向变量，在考虑到变化的刚性和获得的等效温度负荷情况下，与然后起作用的支承负荷曲线区分开来。
2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，在反面证明所涉及的支承系统的支承安全性时，利用改变的所要确定的材料特性重复权利要求1中所列举的步骤，直至达到所希望的支承安全性。
3、按权利要求2所述的方法，其特征在于，通过提高钢筋和/或者通过提高混凝土比重和/或者通过将一流程环节包括进计算中来改变材料特性。
4、按权利要求1至3之一所述方法的应用，其特征在于，关于制订建立一静载荷建筑物的结构计划上，求得该建筑物在可能的燃烧情况下支承安全性，以借助于刚体静力学获得的数据为基础，所述数据来源于构件的结构，并涉及到像自重、水负载、土压力和有效负荷这些标准负荷状态，并也可能这样改变结构特征，给出燃烧时的支承安全性或燃烧后要求的剩余强度。
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