底部框架磚房抗火性能與抗火設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、建筑火災(zāi)是發(fā)生頻度較高的災(zāi)種。既有底部框架磚房在我國(guó)既有建筑中約占15％,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)中關(guān)于底部框架磚房的設(shè)計(jì)條款有一定篇幅,故仍會(huì)繼續(xù)建造底部框架磚房。一般作為商業(yè)用房使用的底部框架層含有大量可燃物,火災(zāi)荷載相對(duì)較大;上部樓層為磚砌體結(jié)構(gòu),底部框架承受的永久荷載在全部荷載中所占比例較純框架大,當(dāng)設(shè)計(jì)軸壓比相同時(shí),底部框架柱承擔(dān)的實(shí)際荷載較純框架柱大。由于梁柱截面選擇和配筋構(gòu)造與抗震構(gòu)造等級(jí)相關(guān),非抗

2、震設(shè)防區(qū)和6度抗震設(shè)防區(qū)的底部框架磚房,底部框架柱長(zhǎng)期處于高軸壓比、低配筋率的狀態(tài),底部框架可能是此類建筑的抗火薄弱層,火災(zāi)下易因底部框架抗力不足而發(fā)生整體坍塌。7度和8度抗震設(shè)防區(qū)的底部框架磚房,盡管底部框架梁柱截面尺寸相對(duì)較大,配筋相對(duì)多些,但能否確保底部框架磚房在火災(zāi)下的安全,也需要開(kāi)展研究。既有底部框架磚房和新建底部框架磚房的抗火性能與火災(zāi)安全問(wèn)題,是工程界十分關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文針對(duì)底部框架磚房抗火問(wèn)題開(kāi)展以下研究工作:<

3、br>　　(1)考慮到粘土磚砌體線膨脹系數(shù)為5×10-6/℃,混凝土的線膨脹系數(shù)為1×10-5/℃,粘土磚砌體線膨脹系數(shù)僅為混凝土線膨脹系數(shù)的一半;同時(shí)考慮到底部框架發(fā)生火災(zāi),其托梁頂?shù)臏囟纫话悴怀^(guò)160℃,磚砌體溫度會(huì)更低,且離托梁距離越大,受火災(zāi)影響越小。進(jìn)行底部框架磚房在底部框架層發(fā)生火災(zāi)時(shí)的受火分析時(shí),假定上部磚砌體不受火災(zāi)影響。底部框架層發(fā)生火災(zāi)時(shí)上部磚砌體與框架梁(墻梁的托梁)間的荷載傳遞機(jī)制,是底部框架磚房受火分析必須解

4、決的問(wèn)題之一。采用 Hill屈服準(zhǔn)則和 Rankine屈服準(zhǔn)則,合理考慮壓應(yīng)力對(duì)磚砌體抗剪強(qiáng)度的影響,通過(guò)在磚砌體兩個(gè)材料主軸方向上定義不同的材料屬性,構(gòu)建了考慮材料各向異性硬化和軟化的磚砌體彈塑性整體化模型,采用 Newton-Raphson方法和隱式 Euler積分回映算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)塑性屈服面非線性方程組的求解和應(yīng)力更新。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,得出與各向同性磚砌體材料模型相比,考慮材料各向異性的磚砌體彈塑性模型能夠更為

5、準(zhǔn)確的分析磚砌體在平面應(yīng)力下的彈塑性性能。為包括底部框架層發(fā)生火災(zāi)時(shí)上部磚砌體與框架梁(墻梁的托梁)間的荷載傳遞機(jī)制在內(nèi)的底部框架磚房抗火計(jì)算分析提供了模型。
　　(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)下底部框架磚房的全過(guò)程分析,是把握該類建筑抗火性能的關(guān)鍵。分析確定了高溫下鋼筋和混凝土的熱力學(xué)參數(shù),基于熱傳導(dǎo)理論建立了底部框架溫度場(chǎng)分析模型,編制了混凝土瞬態(tài)熱應(yīng)變和高溫徐變的計(jì)算程序及鋼筋高溫蠕變的計(jì)算程序,合理考慮了高溫下鋼筋與混凝土間粘結(jié)滑移性能

6、,結(jié)合ABAQUS有限元軟件的順序耦合熱力分析平臺(tái),引入考慮材料各向異性的磚砌體彈塑性模型,建立了底部框架磚房抗火分析精細(xì)化模型,實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)和外荷載共同作用下底部框架從起火到坍塌的全過(guò)程分析。通過(guò)已有鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)對(duì)該精細(xì)化模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)抗火分析時(shí),考慮混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)變、高溫徐變以及鋼筋的高溫蠕變是有必要的,火災(zāi)下底部框架溫度場(chǎng)分析模型和力學(xué)性能分析精細(xì)化模型具有較好的準(zhǔn)確性。
　　(3

7、)基于底部框架磚房抗火分析精細(xì)化模型,通過(guò)變參數(shù),考察了火災(zāi)下框架梁(墻梁的托梁)頂面豎向荷載分布的變化、底部框架所承受荷載效應(yīng)的變化及底部框架的破壞過(guò)程。獲得了荷載水平、梁柱截面尺寸和配筋、保護(hù)層厚度和上部磚砌體房屋層數(shù)等參數(shù)影響的底部框架從起火到坍塌的發(fā)展過(guò)程和規(guī)律。結(jié)果表明,火災(zāi)下高溫引起的框架梁(墻梁的托梁)軸向膨脹變形和向下?lián)锨冃螌?duì)墻拱傳力機(jī)制不利,使框架梁(墻梁的托梁)內(nèi)力顯著增大,加速邊柱頂端外側(cè)縱向鋼筋受拉屈服,內(nèi)側(cè)混

8、凝土被壓碎。邊柱上端損傷后中柱混凝土被壓潰,磚墻的大拱效應(yīng)使中柱承擔(dān)的荷載減小。
　　(4)底部框架磚房的底部框架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足抗火與抗震的雙重要求?；诘撞靠蚣艽u房抗火性能參數(shù)分析結(jié)果,對(duì)不同耐火極限相應(yīng)的底部框架柱軸壓比、梁柱截面尺寸和配筋率與不同抗震等級(jí)相應(yīng)的底部框架柱軸壓比限值、梁柱最小截面尺寸和配筋率進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,非抗震設(shè)防區(qū)的底部框架柱截面尺寸大于500mm×500mm,邊柱縱向鋼筋配筋率大于1.5%,以

9、滿足耐火等級(jí)大于3.0h;抗震等級(jí)為三級(jí)的底部框架邊柱縱向鋼筋配筋率需大于0.8%、1.0%和1.2%,以滿足耐火等級(jí)大于2.0h、2.5h和3.0h;抗震等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)的底部框架耐火極限均大于3.0h?；谥S壓比、梁柱截面尺寸與配筋、保護(hù)層厚度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)底部框架抗火性能的影響規(guī)律,提出了底部框架梁柱截面選擇、配筋構(gòu)造、保護(hù)層厚度取值等抗火設(shè)計(jì)建議,以使底部框架抗火設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。
　　(5)底部框架層發(fā)生火災(zāi)后,根據(jù)

10、受火損傷程度不同,一些受火損傷后的底部框架加固后可繼續(xù)使用。抗震設(shè)防區(qū)火災(zāi)后受火損傷的底部框架磚房需進(jìn)行抗震加固計(jì)算。針對(duì)以往水平荷載下底部框架的內(nèi)力計(jì)算時(shí),上部磚砌體材料假設(shè)為各向同性,以及框架梁內(nèi)力計(jì)算未考慮其與上部磚砌體共同工作的問(wèn)題,開(kāi)展了780個(gè)常溫時(shí)水平荷載下該類房屋的底部框架計(jì)算分析,獲得了梁柱線剛度比、托梁高跨比等對(duì)托梁內(nèi)力、柱反彎點(diǎn)和柱剪力分配的影響規(guī)律,提出了考慮上部磚砌體和構(gòu)造柱影響的水平荷載下底部框架的內(nèi)力計(jì)算方