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毕业设计外文资料翻译题目暴露在极端高温下的结构——性能概述学院土木建筑学院专业土木工程班级学生学号指导教师二〇一四年二月二十三日济南大学毕业设计外文资料翻译-1-OpenJournalofCivilEngineering,2013,3,154-160.PublishedOnlineSeptember2013暴露在极端高温下的结构---性能概述谢里夫·叶海亚，加尼姆·卡斯华妮美国沙迦大学土木工程系，沙迦，阿联酋收稿日期：2013年4月21日；修订日期：2013年5月21日;录用日期：2013年5月28版权所有©2013谢里夫·叶海亚，加尼姆·卡斯华妮。这是知识共享署名许可，允许无限制地使用，分发，并在任何媒介的复制下发布的开放性文章，提供的原作是正确的引用。摘要：强度，耐久性和稳定性是材料选择和建筑行业在设计时的主要标准。因此，发展和增强建材对工程师和研究人员来说始终是一个积极而有吸引力的领域。高温（火灾）对任何结构的建筑物都是可造成重大损害的潜在威胁。对于暴露在高温或火灾下建筑材料的反应，需要进行全面研究和分析，从而吸取以前案例的经验教训。本文就是对常见的建筑材料，如在高温条件下的混凝土，钢和复合材料结构特性的介绍和讨论。此处，着重讨论的是高级材料，如纤维增强复合材料（FRP）和钢管混凝土（CFT），暴露在高温下的性能。并从不同的设计规范建议，以提高结构的抗火进行了介绍。最后，是文献中发现的数座桥梁和暴露于火灾事件的建筑物损害的评估总结。关键词：建材，耐火性，火灾对建筑物的影响，结构性能1．引言：结构的可持续发展是建筑行业主要关注的问题。暴露于火或高温是一个极端的条件，导致材料性质改变，因此，必须改变整体行为的预期。许多研究工作都致力于暴露在火和高温条件下材料的绩效评估。这些努力可加强对材料性质变化的认识，并建议指引，以避免此类事件发生。因此，本文的目的是探讨不同建筑材料暴露在高温下的行为差异。而且，设计建议和规范要求强调认识到这些差异。通常调查暴露于高温（火灾）事件下的结构，以评估它们的结构完整性和性能。利用几个主动和被动防火方法可以尽量减少或控制火灾对结构及其部件的影响，但是，材料性能的变化和结构刚度的损失的后续行动要求对结构的性能进行全面评估建议。济南大学毕业设计外文资料翻译-2-三大类：本文中将要讨论的是材料特性，结构评估，并提出建议以增加结构抗火，尽量减少高温度的事件对结构的影响。2．材料性能材料特性如热膨胀，密度和导热性都需要仔细评估，以了解材料的性能在极端高温事件的变化。此外，材料成分的性质，如在高温影响下混凝土骨料活动的整体行为等。在建筑行业常用的材料都将在下面的小节中讨论。2.1混凝土在高温事件中由于各成分的热膨胀系数的差异使混凝土具有复杂的行为。配料混凝土混合物，以实现高强度及生产的致密混凝土混合物用更少的水泥质材料的比例（重量/厘米）在现场作业过程中保持耐久性的要求。因此，HSC的机械性能在升高温度下的情况下与常规混凝土有两个主要的不同方面：首先，强度损失在100℃至400℃温度范围内时会导致HSC发生爆裂。强度损失应该由在设计阶段引入的代码和设计规范加以考虑。此外，火灾中混凝土保护层的HSC爆裂导致钢筋直接加热使其面临整体结构能力[1,2]丧失的风险。因此，高强度混凝土（HSC）和普通强度混凝土（NSC）的防火性能存在显著的差异。影响混凝土的耐火性能的几个因素是混凝土强度，含水率，混凝土密实度和聚合型[3,4]混凝土强度：抗压强度大于55兆帕（8000psi）的混凝土比抗压强度较小的更容易剥落。由于在基体中的水的压力或不同的热膨胀在基质中的堆积情况的作用，混凝土的剥落通常发生在火灾的初始阶段，。HSC具有非常低的渗透性和水灰比，因此，水分以缓慢速率逸出，孔隙压力增加。这将导致承载能力大幅降低和混凝土截面在火灾期间预期的损失。因此，HSC比NSC剥落的几率更高[3,4]。水分：混凝土的耐火性能受游离水分或暴露在不同程度的环境湿度（RH）影响。游离水分的存在取决于粗骨料和环境的湿度。如果相对湿度水平超过80％，混凝土构件可能会在火灾时发生剥落。游离水分的能力是从有火的一侧移动到较冷的一侧以降低内部压力，因此，可减少剥落的发生。在HSC情况下，由于密度高，水分移动受到限制，因此，它更容易剥落[4,5]。混凝土密度：HSC有密实，低水灰比，及其他补充材料，如硅灰的特点。一般情况下，密实混凝土很容易在火灾下剥落。在火中，高温对混凝土芯的传输速率高，导致混凝土表层（剥落）的快速损耗[3,4]。骨料类型：任何混凝土拌合物的60％至70％都是骨料，因此，混凝土变化主要受混合物中使用的粗骨料类型影响。建筑行业通常用碳酸盐岩，硅质，轻便的三种类型的混合体。表1总结了高温对基于聚合型抗压强度和混凝土的弹性模量的影响。此济南大学毕业设计外文资料翻译-3-外，比热和热导率受聚合类型的影响很大。热导率影响火灾情况下温度的上升速度。轻骨料相对于其他类型具有较低的热导率（0.577789317英热单位（IT）英尺/小时/平方尺/°F0°F）。然而，对所有类型的聚合物在650℃下热导率会减少到50％[6,7]。表1高温对混凝土性能的影响[6-8]1°C=33.8°F钢纤维混凝土钢纤维通常被加入到混凝土混合物中以改善塑料开裂的特性，拉伸强度，弯曲强度，冲击强度和控制开裂。然而，在高温下钢纤维可以降低混凝土结构的耐火性。聚丙烯纤维或钢纤维混合可用于减少在升高温度时对钢纤维的不利影响[9,10]。2.2钢当暴露在482℃的温度下，钢的屈服强度和弹性模量减少了大约12％至14％，超过这个温度这两个属性会急剧下降。此外，在高温下屈服强度和弹性模量的降低也受钢构件的碳百分比和应力水平的影响[11]。其它重要性能，由于钢温度的增加热膨胀系数也大大增加了；如公式（1）[12]：α=（6.1+0.0019T）*106（1）其中，α是热膨胀系数（单位：°F），ΔT是钢温度上升超过100°F。2.2.1钢筋钢筋如果由法规中指定的最小保护层保护，预计高温对钢筋的影响可以忽略不计。然而，由于混凝土和钢筋之间的粘合的热膨胀和变形的损失，可能导致结构失稳和影响结构的完整性[13-15]。2.2.2高强度钢屈服强度降低与应变水平是相关的，因此，高强度钢板的屈服强度比低强度钢降低的更小。此外，弹性模量的减少与高强度钢中的碳含量是息息相关的[10,16]。2.2.3冷成型钢当冷成型钢结构暴露在高温下，钢的等级是控制屈服强度的主要参数，而钢板厚度对强度损失的影响很小。此外，还有的是弹性模量和钢等级或厚度之间没有明显的关系，但是，升高的弹性模量可以通过方程（2）和（3）判断[17-19]：20T200C,ET/E20=—0.000835T+1.0167(2)20T800C,ET/E20=—0.000135T+1.1201(3)聚合类型抗压强度抗压强度碳酸盐（石灰石，白云石）保持强度可达1200°F减少高达50％，在800°F硅质（花岗岩和砂岩）减少高达50％，在1200°F减少高达50％，在800°F轻量级（天然或人造）保持强度可达1200°F减少高达40％，在800°F济南大学毕业设计外文资料翻译-4-其中ET和E20分别是升高的温度和温度环境的弹性模量。2.3复合材料为了克服一些耐久性和钢筋锈蚀问题，建筑行业进步后所生产的几种新材料和采用的新施工工艺，在许多项目中被使用。纤维增强聚合物（FRP）是一种表现出良好性能，并提供了所需机械属性的复合材料的一个例子。然而，需要对复合材料的耐火性和暴露于高温下的性能进行评估。钢纤维复合材料（FRP）FRP是高耐腐蚀性隔断环境条件下的最佳选择之一。然而，在火灾的早期阶段，玻璃钢材料会失去他们的强度和刚度。Wang等人[20]进行了一个碳纤维增强聚酯（CFRP）和玻璃纤维增强聚酯（GFRP）相对于传统钢筋强度和刚度变化的实验性调查研究。他们的研究结果表明，FRP筋的临界温度约为343℃，低于这个温度的FRP筋能保持90％左右的原始闷气。然而，碳纤维复合材料和玻璃钢原强度35％至45％的削减都发生在343°C。另外，在应力——应变关系上，船舶的FRP筋在高温下几乎保持直线直至被破坏[20,21]。2.4复合材料结构2.4.1钢管混凝土（CFT）CFT混凝土芯由钢管约束。钢管所提供的约束增强了混凝土性能，也提高了结构元件的整体性能。此外，较高的抗弯承载能力，高抗震性和施工快是一些建设项目使用CFT的其他优点。然而，然而，当接触到火时需要对CFT的性能进行评估。尺寸和长细管，低截面系数（A/V比），火的方向，暴露在火中的边数是一些影响钢管混凝土截面[22,23]耐火性能的主要因素。数值模型和实验研究表明，钢管混凝土柱由于其复合行为有比高温下的定期专栏（钢或混凝土）更好的性能。这些性能可以通过钢管和混凝土芯的双重作用进行说明。当钢管混凝土柱暴露于火，负荷转移将发生在两个阶段。在第一阶段，钢管将通过其任何横截面额外的压力进行扩大。然而，当温度升高时，断面开始屈服，并由于钢管的局部压曲在整个柱的抗压强度降低。这导致了第二阶段，因为混凝土的导热系数降低的速度较慢，载荷从钢管上转移到混凝土芯的强度继续降低，直到柱或者通过弯曲或压缩失败坍塌[26]。2.4.2复合混凝土和结构钢复合混凝土和结构钢型材通常由三个主要部分组成;钢筋混凝土（RC），钢铁和螺柱（剪切连接器）[27〜29]。复合部分的耐火性是影响所有成分的行为：混凝土部分：正如前面所讨论剥落和曝光钢筋是混凝土在火灾中的主要威胁。恢济南大学毕业设计外文资料翻译-5-复压力和水分运动，尤其是要关注钢板如果是用在钢筋混凝土板的底部上的情况。此外，紧张的支撑梁的混凝土板和变形发展会导致开裂和柱附近的潜在滑移。结构钢和连接：钢型材可作为翼部（表），梁和柱。梁下翼缘，在剪切梁腹板局部屈曲，地层塑性铰，柱翼缘受压屈曲，端板沿焊缝“连接”，在梁腹板孔的伸长率和过度变形断裂是一些火在钢截面可能造成的损害。这些损害依赖的部分中，存在限制元件，和暴露火中的时间，位置和方向[27，28,30]。剪力钉：RC和钢结构之间的综合作用通常是通过剪力钉来实现。此外，螺柱有助于纵向剪切（柄）和拉伸载荷垂直于界面（头）的阻力。这可以在纵向滑移发挥作用。在螺柱上要求高强度和刚度，以确保这两个部分之间的负载传递。然而，在高温事件中刚度和柱的容量会影响复合微结构部分的整体性能降低。此外，螺柱的数量和安排以及塑钢型材的存在会影响铸坯开裂模式[29,31]。要着重注意测试组成部分提供的信息，这是用于提高代码和设计的要求。然而，部件和连接之间的相互作用表示结构作为一个整体的行为除非在一个满量程的测试中进行，否则不能被清楚地识别[29]。3．结构性能及设计要求当前造成火灾的任何结构的性能（耐火性）取决于材料性能和绝缘/屏障抵御或限制火灾。然而，耐火等级是关于结构的半小时或一小时的增量预期的耐火性的指标[32]。热膨胀，结构结束条件（重新拉紧或无节制的），以及材料的强度和刚度的损失影响特定结构的整体性能。如果该混凝土具有较低的热导率从而导致较慢的增加混凝土温度，它就可以在火灾事件中有良好的表现。在升高温度的过程中，由于蒸气压力的增加，混凝土的剥落可能影响混凝土的机械性能。这种压力导致内部裂纹和应力超出混凝土的拉伸强度[6,32]。赫兹和索伦森发现，如果水分含量保持在低于每单位重量的3％，混凝土也不会断裂，但是，如果水分含量大于3％时，可避免使用胶结材料如硅灰或纤维混凝土发生剥落/爆裂[33]。钢结构，强度，延展性，钢铁材料的一致性，结构的形状和所施加的负荷都应该是耐火性计算的重要因素。临界温度取决于负载比和钢组合物。负载率值是所施加的设计负荷，以将产生的应力等于屈服应力在室温下的比值[12,34]。它需要施加绝缘材料如氧化镁，蛭石，喷矿物和烧蚀涂层，以保护高温下的结构钢。在复合材料结构中，在火灾中控制由热膨胀引起的应力和位移的结构行为直到材料的强度和刚度故障再次降低到之前的程度[35，36]。济南大学毕业设计外文资料翻译