基于自振特性的板火灾损伤研究及安全性能分析

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钢筋混凝土板是建筑结构中常用的构件,它作为建筑结构的水平结构体系,对结构的承载力和整体刚度都有着重要影响。目前,常温下钢筋混凝土板的振动特性研究已相对成熟,被广泛应用于板的鉴定与加固。而火灾下钢筋混凝土结构的振动特性研究还较少,还没形成较成熟的理论,因此本文对钢筋混凝土简支单向板和四边简支双向板进行了火灾下(后)的振动特性分析,并通过火灾后的承载力计算和共振两方面考虑它们的安全性能。主要研究内容和成果如下:1.通过阅读大量的文献,对火灾下钢筋和混凝土的热工性能及力学性能进行了归纳和总结。在此基础上,采用有限元软件ABAQUS对简支单向板和四边简支双向板进行了温度场数值计算,并对损伤深度进行了定义,然后将计算得到的温度场导入到力学模型,对两种工况的板进行火灾后模态分析。结果表明:两种板混凝土和钢筋的温度场分布情况基本一致,符合一维热传导规律,混凝土自受火面30mm厚度范围内温度梯度较大,且随着温度的升高,其温度梯度不断增大,随着板厚的增加,温度梯度逐渐趋向于平缓;火灾能够引起钢筋混凝土板的振动,但高频振动难以被激发出来,本文得到了单向板和双向板前6阶和前7阶频率及相应振型,它们的基频在火灾后降低的幅值分别为66.67%和62.74%,刚度有了很大的损失。2.本文所研究的对象均为钢筋混凝土薄板,根据薄板弯曲基本理论,提出了简支单向板和简支双向板固有频率的一般公式。根据已有的温度场解析解,结合钢筋和混凝土在高温下的力学性能,借助误差函数以及双曲线正切函数对矩形薄板在厚度方向上进行刚度的积分,得到了已知板厚情况下矩形薄板的刚度与温度的关系式。假定在高温下钢筋混凝土的质量密度为常数,将得到的刚度与温度关系式引入到固有频率的一般式中,得到了火灾过程中固有频率与温度的关系式。对高温下矩形薄板的刚度变化规律进行分析,在刚度与温度关系的基础上,得到了高温下矩形薄板刚度的折减系数。3.将火灾后钢筋混凝土构件承载力计算的等效截面法引入到板的承载力计算之中,并考虑高温下钢筋与混凝土粘结力的折减,可能在高温下先发生粘结破坏,将临界粘结力引入,对等效截面法进行了进一步的完善。4.采用JP5050多维测力台和相应的数据分析系统进行了步行荷载试验,分析单人在疏散时快速行走的步频,然后考虑阻尼的影响,讨论火灾后板与人步行共振判定的方法。结果表明:单人在火灾后疏散时的快速行走步频在2Hz左右,并落在1.90~2.08Hz范围之内;火灾后的简支单向板和四边简支双向板不会与人快速行走步频产生共振。
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