约束作用下混凝土双向板抗火性能试验研究和理论分析

The furnace will be used to conduct the fire test of reinforced concrete two-way slabs subjected to in-plane restraint. During the test, the temperature of concrete and reinforcing steel along the depth of the slabs will be measured as well as the out-plane and in-plane deflections. Moreover, the cracking pattern and failure characteristics of the concrete slabs will be investigated, and the results will be compared with the existing failure characteristics of the simply-supported slab in fire.. According to the thermo-elastic-plastic theory and the shell element, the numerical model for the concrete two-way slabs in fire will be proposed, in which the in-plane restraint action will be taken into account. The reliability of the developed program and the model will be validated using the testing results. Parametric analyses will be performed to study the influence of the primary parameters, such as span-depth ratio, steel ratio and in-plane restraint action, on the fire behavior of the concrete two-way slabs. In addition, based on the modified segment equilibrium method, the limit bearing capacity theory of the concrete two-way slabs in fire will be established and the in-plane restraint action is also considered in the method. The comparison of calculated results and testing results will be carried out..

本项目拟利用试验炉，对面内约束作用下钢筋混凝土双向板进行火灾试验；试验时测量沿板厚方向混凝土和钢筋温度，以及板的平面外和平面内变形；同时，考察试验过程混凝土板裂缝及破坏特征，与已有受火简支板的破坏特征进行对比。. 根据热弹塑性理论和板壳单元，考虑面内约束作用的影响,建立混凝土双向板数值模型；发展相应的计算程序，结合试验结果，验证计算模型及程序的有效性；利用程序，分析主要参数（跨厚比、配筋率和面内约束作用等）对混凝土双向板火灾行为的影响规律。此外，基于修正板块平衡法，同样考虑面内约束作用，建立火灾下混凝土双向板的极限承载力计算方法，并将计算结果和试验结果进行对比。

为了深入研究面内约束作用下混凝土板火灾行为，本项目开展约束作用下混凝土双向板火灾试验、数值模拟和理论分析。.试验方面：通过十块不同面内约束工况混凝土双向板火灾试验，获得炉温、混凝土和钢筋温度、板平面外（内）变形、板角（平面内）约束力等随时间变化规律，观测了试验中混凝土板裂缝及破坏特征。 研究表明，由于板角约束作用，简支板及单（双）向面内约束板均出现板角弧形斜裂缝；与火灾下简支板不同，单（双）向面内约束板板顶均易出现通长裂缝，且单（双）向约束作用倾向于增加试验板竖向变形，原因在于约束作用引起的P-δ效应。.数值方面：根据热弹塑性理论和板壳单元，考虑面内约束作用和含水率影响，建立了混凝土双向板数值模型，发展程序对面内约束混凝土试验板进行数值分析，获得了几何(非)线性和混凝土膨胀应变对约束试验板变形、弯矩分布和薄膜机理影响规律。此外，通过参数分析研究了约束类型、约束水平、长宽比、配筋率和板厚等对面内约束混凝土板温度场、变形、破坏模式和耐火极限等影响。研究表明，对任一约束工况，较大混凝土膨胀应变导致约束板较大变形，且几何非线性影响不可忽略；面内约束作用倾向于降低跨中弯矩和增大板边负弯矩，且不利于板大变形阶段受拉薄膜效应发展；约束板火灾行为取决于约束类型、约束水平和长宽比等相互作用。.理论方面：基于塑性铰线理论，考虑受拉薄膜效应，提出钢筋应变差概念和应变破坏准则，结合板块内力平衡方程，建立常温及火灾下面内约束混凝土双向板承载力计算方法。研究表明：钢筋应变差理论所得薄膜效应阶段混凝土双向板荷载-位移曲线较为合理，且能够确定混凝土双向板极限状态及相关参数。.本项目研究成果可为实际工程中提高混凝土双向板抗火性能提供参考。