基于“剩余强度”热损伤模型的钢筋混凝土结构抗火能力研究

基于"剩余强度"热损伤模型的钢筋混凝土结构抗火能力研究不同于通常意义下的结构抗火能力研究，其特色和创新点在于：它不限于单纯的钢筋或素混凝土的抗火能力研究，而更注重于钢筋混凝土作为统一体时抗火能力及其单种材料之间的相互影响研究；它不限于单个梁、板、柱、墙等构件抗火能力的研究，而更注重于研究由梁、板、柱、墙等单个构件所组成的结构抗火能力的研究；它不限于研究低温条件下构件或结构的温度损伤，更注重于接近真实火灾高温情况下构件或结构的温度损伤研究；它不同于以往一般使用弹性模量进行损伤演化研究，而是基于本项目组提出的"剩余强度"热损伤本构模型来深化和完善钢筋混凝土结构抗火能力研究；它不限于理论推导、火灾实验或模拟仿真单一方法的研究，而更注重于根据热力学、弹性力学、损伤力学和结构设计等理论，将理论、实验、数值模拟三者结合开展研究，因而更具有理论价值和更加广阔的应用前景。

依据“剩余强度”理论构建了混凝土和钢筋的高温损伤模型，为研究火灾中钢筋混凝土的热损伤演化及破坏过程奠定了理论基础。为探讨高温受损后混凝土构件中钢筋与混凝土的破坏粘结强度，对24个拉拔试件进行了4种不同温度下（20℃、250℃、450℃、650℃）的界面强度试验和理论分析。采用Origin软件对拉拔试验数据进行拟合，得到了不同温度下钢筋与混凝土界面粘结滑移的相关表达式；该表达式可用于高温下钢筋与混凝土界面粘结滑移的数值模拟。设计并制作了26个足尺钢筋混凝土框架试件，其中21个试件均为高温试验，2个为常温试验，剩余3个备用。高温试件均采取五面（前、后、左、右和下面）受火方式，唯一上表面与炉顶平齐裸露在外部环境中。火灾实验在中南大学铁道校区防灾科学与安全技术研究所实验室的火灾炉内进行，升温采用ISO834标准升温曲线；达到预定温度后，恒温保持至120min，采用3种不同温度水平（600℃、800℃和1000℃）和4种不同荷载水平（21kN、28kN、35kN和42kN）进行试验，探讨了火烧荷载和火烧温度对框架结构力学性能的影响以及框架结构的剩余强度与温度的关系。待试件受火烧实验后，从炉中取出在室内自然冷却至常温，再用500kN液压千斤顶将试件依次进行静载试验（包括常温下的试件），直至试件破坏，测定其跨中挠度变化。加载方式与试件高温下加载方式相同。试验表明：火烧温度要比火烧荷载对试件的影响更大，受较大火烧荷载的试件，承载力与变形等力学性能发生了较大的改变。当火烧温度为600℃时框架结构强度下降45%,800℃时框架结构强度下降55%，1000℃时框架结构强度下降高达65%。以往的研究通常只考虑了将温度或者载荷作为影响损伤变量的因素，而在本研究中则考虑了温度与外荷载的相互耦合作用。与此同时，结合已有物理实验结果，开展了数值模拟实验，并将两种实验结果进行对比分析，结果表明两者基本吻合。显见，后者比前者节约了大量实验时间和费用，而且可为结构的抗火实验方案提供参考。. 围绕本项目已培养硕士2名，其中1人获国家级奖学金；另有3名硕士研究生在读。完成中英文学术论文共9篇，其中期刊论文5篇，硕士学位论文2篇，会议论文2篇；EI收录4篇；参加国内外学术会议4人次，其中作国内、国际分会报告各2人次，1人担任国际会议分会场主席；获国家专利授权4个，其中国家发明专利1个。