【摘 要】
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混凝土足尺构件的耐火试验可以直观反映构件的热力响应情况,但受火灾试验设备的限制,足尺构件仅能选取部分常规尺寸,无法对超高层、大跨度结构的足尺构件进行耐火试验。依据相似理论建立缩尺模型进行耐火试验具有参数可控、试验周期短等巨大优势。因此,研究缩尺模型和足尺模型之间的热力响应相似关系,实现通过缩尺模型耐火试验来获得足尺模型的热力响应情况,可以更有效研究足尺模型抗火性能。为了更为全面地研究不同比例下混凝
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混凝土足尺构件的耐火试验可以直观反映构件的热力响应情况,但受火灾试验设备的限制,足尺构件仅能选取部分常规尺寸,无法对超高层、大跨度结构的足尺构件进行耐火试验。依据相似理论建立缩尺模型进行耐火试验具有参数可控、试验周期短等巨大优势。因此,研究缩尺模型和足尺模型之间的热力响应相似关系,实现通过缩尺模型耐火试验来获得足尺模型的热力响应情况,可以更有效研究足尺模型抗火性能。为了更为全面地研究不同比例下混凝土缩尺模型和足尺模型的热力响应相似关系,本文基于有限元软件调整混凝土缩尺模型的结构相似关系、时间相似关系及温度场相似关系,并进行混凝土构件高温力学性能数值模拟,本文主要研究内容如下:（1）基于结构模型试验相似理论及传热学理论,阐述不同比例下混凝土结构热力响应具备相似关系的前提为温度场相似,依据温度场相似理论及热力响应相似理论介绍缩尺模型实际升温曲线的计算方法。（2）设计12组钢筋混凝土柱足尺模型,并依据相似理论建立对应2/3、1/2及1/3缩尺模型,分别建立三种比例下的缩尺模型实际升温曲线和位移加载速率,通过ABAQUS对12组系列柱进行高温数值模拟。结果表明:各组系列柱的温度场相似性较高,受火时长、截面尺寸对温度场相似性影响较小;受火面数减少会导致非受火面一侧的温度场相似性降低,进而降低高温力学性能相似性;各组系列柱的轴向变形相似性较高,荷载比越大,结构变形相似性越高;各组系列柱的耐火极限相似性较高,缩尺比例越大,耐火极限相似性越高;各组系列柱的高温承载力位移曲线和抗火极限承载力相似性较高,缩尺比例越大,抗火承载力相似性越高。（3）设计12组型钢混凝土柱足尺模型,并依据相似理论建立2/3、1/2及1/3缩尺模型,通过ABAQUS对12组系列柱进行高温下数值模拟。结果表明:各组系列柱在型钢及周围混凝土处的温度场相似性较高,在外侧混凝土处温度场相似性降低,且受火面数越少,相似性越低;各组系列柱的轴向变形和耐火极限相似性较高,相似性高于钢筋混凝土系列柱,在受火面数降低及偏心作用下,相似性降低;各组系列柱的高温承载力位移曲线基本重合,相似性高于钢筋混凝土系列柱,缩尺比例对抗火极限承载力相似性影响较小。（4）设计9组钢筋混凝土双向板和6组钢筋混凝土单向板足尺模型,并依据相似理论建立对应的2/3、1/2及1/3缩尺模型,基于ABAQUS对不同边界条件下的各组系列板进行高温数值模拟。结果表明:各组系列板的温度场相似性较低,沿热传递方向存在较大温度梯度差异,靠近非受火面一侧的温度场相似性降低;各组板的中心竖向位移相似性较低,长短边比值、板厚、配筋率及保护层厚度越大,部分缩尺模型的相似性略微提高;边界条件对各组系列板高温力学性能影响较小。（5）将新型钢筋结构“起波钢筋”应用于钢筋混凝土梁中,依据起波钢筋常温本构及直线钢筋高温本构推导得出起波钢筋在高温下的应力应变关系。设计9组起波钢筋混凝土梁足尺模型并采用“等效替代方法”进行建模,并依据相似理论建立2/3、1/2及1/3缩尺模型,通过ABAQUS对9组系列梁进行高温下数值模拟。结果表明:各组系列梁的温度场相似性较高,靠近非受火面一侧,相似性降低;各组系列梁的高温结构变形和耐火极限相似性较高,荷载比越大,相似性越高,缩尺比例对耐火极限相似性影响较小;各组系列梁的高温承载力不具备相似性。
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