钢筋混凝土结构火灾反应数值模拟及软件开发

建筑火灾引起的高温对梁、柱、板、墙等建筑构件的强度和变形有明显的影响。由于火灾试验设备以及火灾试验本身极其昂贵，在一定试验数据的基础上，开发计算机软件用来模拟建筑构件及结构在火灾中的反应变得越来越重要。另外，随着火灾科学与技术的发展，西方发达国家逐步采用性能化的防火设计方法，这种转变使计算机软件成为一种主要的设计和分析工具，离开计算机软件来分析大量建筑构件在各种不同的约束、荷载、火灾条件下的反应是不现实的。 本文主要工作包括两大部分。第一部分是建立钢筋混凝土结构火灾反应非线性分析有限元模型；第二部分是开发模拟钢筋混凝土结构火灾反应的计算机软件。具体研究内容如下： (1)推导了火灾中钢筋混凝土构件内温度场随时间变化的计算公式，建立了热反应分析模型，合理简化了温度场的火边界条件。开发了温度分析单元，考虑了混凝土和钢筋的热工性能随温度的变化。对影响温度场的参数进行了研究，得到了一些新的结论。 (2)根据Ottosen提出的建立常温下混凝土本构模型的思想，建立了混凝土在高温、双轴应力状态下的正交异性非线性弹性本构模型，考虑了混凝土的开裂、压碎等的影响。开发了分层的平面应力单元及杆单元，用于模拟钢筋混凝土结构中的混凝土及钢筋。 (3)发展了过镇海提出的混凝土在常温下的三维本构模型，建立了混凝土在高温、三轴应力状态下的正交异性非线性弹性本构模型，对钢筋混凝土构件在火灾中反应的三维非线性有限元分析方法进行了探索。 (4)系统研究了有限元数据场的可视化技术，提出了一种画有限元数据场彩色云图的新方法—扫描母元法。这种方法的特点是简单易懂，结果准确，计算量小，易于实现。 (5)开发了非线性有限元分析软件STRUFIRE，用于计算火灾过程中各时刻构件内的温度以及结构的位移、内力等。友好的用户界面以及图形化的前后处理器使STRUFIRE易于使用。用试验数据对STRUFIRE的计算结果进行了验证，结果表明STRUFIRE具有较高的精度。 对钢筋混凝土结构在火灾中的反应进行数值模拟及软件开发，涉及到很多学科， 包括燃烧学、传热学、工程力学、材料科学、工程数学、有限元技术、软件工程学。 计算机图形学等，因此，要想把STRUFIRE开发成面向工程实际的结构抗大分析及 设计软件，还有大量艰苦工作要做。