混凝土高温爆裂机理的数值分析研究.pdf
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1、新 建巍粉 全 国 中 文 核 心 期 刊 混凝土高温爆裂机理的数值分析研究 李荣涛 ( 大连大学 辽宁省高校 复杂 结构体系 灾害于 贞 测与 防治重 点实验室 , 辽 宁 大连1 1 6 6 2 2 ) 摘要 : 材料的高温爆裂现象在工程实际中时有发生。对混凝土材料, 这种热不稳定性现象则显得尤其值得关注, 因其能够严重 危害到建筑结构 的整体性 , 从 而对 人们的生活或生产构成极大的隐患。 到 目前为止, 关于混凝土高温爆裂的机理还难以达成共 识。 在 前期工作 的基础上 , 利用数值模拟手段对混凝十高温爆裂的机 理进行 更深层 次的分析 , 力图揭示 实验 中所难 以获得 的材料 内
2、部发生 的细节 。 关键词 : 数值模拟; 混凝土: 高温: 爆裂 中图分类号 : T U 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 0 1 0 4 Nu me r i c a l a n a l y s i s o f t h e me c h a n i s m o f e x p l o s i v e s p a l l i n g i n h e a t e d c o n c r e t e LI Ro n g t a o ( Ke y L a b o r a t o r y f o r P r e d i
3、c t i o n C o n t r o l O i l Co mp l i c a t e d S t r u c t ur e S y s t e m o f t h e Ed u c a t i o n De p a r t me n t o f Li a o n i n g P r o v i n c e, Da l i a n Un i v e r s i t y , Dali a n 1 1 6 6 2 2, Li a o n i n g , Ch i n a ) Abs t r ac t : S p a l l i n g a t h i g h t e mp e r a t
4、u r e i s p h e n o me n o n t h a t c a n b e o b s e r v e d i n d i f f e r e n t ma t e r i a l s F o r c o n c r e t e , t h i s p h e n o m e n o n , c o n s i d e r e d a s t h e r ma l i n s t a b i l i t y o f t h e ma t e ri a l , c a n s e ri o u s l y j e o p a r d i z e t h e i n t e g
5、r i t y o f a w h o l e s t r u c t u r e d u ri n g fi r e a n d c a n e v e n c o n s t i t u t e a g r e a t r i s k t o p e o p l e S l i f e a nd p r o du c t i o n No wa d a y s , ma n y e x p l a n a t i o n s t o t h e me c h a n i s m o f s p a l l i n g e x i s t b u t s t i l l n o o n e
6、c a n b e a c c e p t e d b y a l 1 T h e r e for e, o n t h e b a s i s o f t h e p r e v i o u s wo r k s , a f u r t h e r a n a l y s i s o n t h e me c h a n i s m o f e x p l o s i v e s p a l l i n g i n c o n c r e t e e x p o s e d t o h i g h t e mpe r a t u r e i s d o n e b y me a n s o
7、f n u me r i c a l s i mu l a t i o n, t ryi n g t o r e v e a l t h e d e t a i l e d b e h a v i o r s o f c o n c r e t e t h a t c a n n o t b e o b t a i n e d f r o m l a b o r a t o r y e x p e rime n t s Ke y wor d s: n u me r i c a l a n a l y s i s ; c o n c r e t e; h i g h t e mp e r a t
8、 u r e; e x p l o s i v e s p a l l i n g 0 引言 与木材和钢材相比, 混凝土材料具有良好的耐火性能, 这 主要体现在2 个方面: 一是不燃性; 二 是良 好的隔热性。 但是, 其不可忽视的一个致命缺陷是在受火急热等高温环境下易于 发生爆裂( s p a l l i n g ) 破坏现象【 1 _。表现为混凝土以动态的方式 从其结构表面剥落或分离成若干碎块,从而使暴露的钢筋快 速软化屈服, 构件有效截面减少, 不仅大大降低了结构的承载 能力, 而且会导致结构整体坍塌。如最近2 0 1 0 年7月发生在 大连新港原油码头的重大火灾,从现场报道和图片中可以
9、清 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 2 7 8 0 1 2 ) 辽宁省教育厅基金项 目( 2 0 0 9 A 0 6 4 ) 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 9 1 4 作者 简介: 李荣涛, 男, 1 9 7 8年生 , 辽宁大连人 , 博士 , 讲师 , 主要从事 高温下混凝土 中非线性耦合 问题研究。 地址 : 辽 宁省大连市经济技术 开发区大连大学建筑工稗学院, E In a i l : l i r o n tg t a o d l 。 晰地看出,绝大多数建筑物结构的严重损坏和倒塌均是由火 灾高温引起混凝土爆裂所导致的。并且大量的研究资料 还 表明, 高强混凝土(
10、 H S C ) 与普通混凝土( N S C ) 在高温下的破 坏表现及性能也有很大的不同, 特别是在快速升温的火灾( 高 温) 下, H S C更易发生爆裂破坏现象。 近年来,随着世界各国对工程结构减灾防火重视程度的 提高,高温下混凝土的爆裂问题研究已成为学术界和工程界 所关注的热点之一。 但迄今为止, 关于混凝土在高温下爆裂的 机理尚未有统一的观点。本文的目的是在作者之前的工作 1 基础上,利用数值模拟手段对混凝土高温爆裂的机理进行更 深层次的分析,力图揭示出实验中所难以获得的材料内部发 生的各种真实细节,为混凝 结构减防火灾设计提供科学依 据和有力工具。 1 爆裂类型和机理探讨 1 1
11、爆裂的类型 爆裂的发生一般是突然和剧烈的,可能发生在构件某一 N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李荣涛: 混凝土高温爆裂机理的数值分析研 究 局部, 也可能涉及到整个构件表层, 根据其不同的表现形态可 分为6 种不同的爆裂类型16 1 。 ( 1 ) 爆炸式爆裂( E x p l o s i v e s p a l l i n g ) 这种爆裂形态在所有爆裂类型中爆裂程度最严重,对构 件的损伤最大。 通常发生在混凝土受热的早期阶段, 即温度超 过 1 0 0 o C 的3 0 m i n内。 爆
12、炸式爆裂的显著特征是大小不等的 混凝土块体从混凝土构件表面上猛烈地喷射出去,并伴有巨 大的声响。 ( 2 ) 表面爆裂( S u r f a c e s p a l l i n g ) 这类爆裂的特征伴随着构件表面局部的脱落,表层的混 凝土会出现凹坑和气泡现象。这类爆裂通常发生于受火的早 期阶段, 同时伴有混凝土碎片的飞溅, 但是其尺寸较小。 ( 3 ) 骨料开裂( A g g r e g a t e s p l i t t i n g ) 这类爆裂实质上是受热混凝土表面的骨料破碎,其最显 著的特征是伴有爆裂声。这种爆裂对整个结构的力学性能影 响不大,因为大多数覆盖钢筋的混凝土保护层都没有受到
13、破 坏。 ( 4 ) 棱角剥落( C o me r s e p a r a t i o n ) 这种类型的爆裂通常出现在受火过程的后期,此时边角 区域的混凝土在高拉应力的作用下已变得比较薄弱并布满裂 纹, 因此其多发生于横梁和立柱构件中。 ( 5 ) 脱落式爆裂( S l o u g h i n g o f f ) 这类爆裂是一种逐渐缓慢崩溃的过程,主要与构件所经 历的最高温度有关, 与升温速率无关。 ( 6 ) 延迟爆裂( P o s t c o o l i n g s p a l l i n g ) 这类爆裂是一种无声无息不易察觉的过程,常发生于受 热后冷却阶段。 1 2 爆裂的机理 混凝
14、土的高温爆裂现象是一个非常复杂的物理和化学过 程, 影响其发生的因素更是繁多。因此, 高温爆裂的机理迄今 尚未完全揭示, 难以形成统一的共识。但在各种观点之中, 有 2 种观点令人瞩目, 即蒸汽压机理 与热应力机理8 1 。 ( 1 ) 蒸汽压机理 蒸汽压机理认为混凝土微观结构密实,孔隙率及孔直径 较小, 毛细孔之间相互不贯通; 在升温过程中, 随着混凝土内 部温度的不断升高,其内部的自由水和结合水开始蒸发并具 有移动的趋势,而混凝土高度致密的内部结构和互不贯通的 毛细孔恰恰阻止了这些蒸发后的水蒸气自由移动,导致毛细 孔内的孔隙压力增大,而一旦当压力在其内部的某一位置达 到并超过了混凝土自身的
15、抗拉强度,混凝土就会因此而产生 破坏并表现出爆裂现象。 在这个机理中, 孔隙压力被普遍认为 是导致混凝土高温爆裂的关键因素, 如图1 所示。 2 新型建筑材料 2 0 1 1 1 图 l 蒸汽压 机理 示意 ( 2 ) 热应力机理 热应力机理认为由于混凝土的热惰性,使得火灾高温在 混凝土内部热量传导不均匀, 产生很大的温度梯度, 温度梯度 在混凝土内部产生了两向或者三向的热应力,而且热应力随 着温度的升高而增长,在达到某一值时形成比混凝土自身抗 拉强度更高的拉应力而导致爆裂的发生, 如图2 所示。 , 应力梯度 一 图 2 热应 力机理示意 2 N S C与 H S C对比数值分析 为了更好地
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