本文是一篇土木工程论文，本文在国内外已有文献对钢筋纤维混凝土构件抗火性能研究的基础上，分别借助Python 进行计算机编程和 ABAQUS 有限元软件建立钢筋纤维混凝土构件火灾下的 2D/3D有限元模型，与已有文献的试验数据进行比较。同时研究不同参数对钢筋纤维混凝土构件截面温度场和变形性能的影响规律。得到以下结论： （1）分析和整理国内外有关高温下钢筋和纤维混凝土的热工参数和力学参数取得的研究成果，其中最重要的是纤维混凝土的受拉应变—应变关系。由于目前国内外对于纤维混凝土的受拉应力—应变关系并没有一个统一的标准。因此，在假设 800℃下纤维混凝土抗拉性能完全丧失的基础上，建立了改进的 fib Model Code 模型，用于在高温下纤维混凝土的受拉应力-应变关系。
第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
在建筑物遭受的各种灾害中，火灾的发生频率最高，且带来的民众伤亡和财产损失十分惨重。据初步统计，2020 年我国共接报火灾事故 25.2 万起，其中死亡人数达 1183 人、受伤人数达 775 人，直接财产损失达 40.09 亿元[1]。频繁发生的火灾严重影响了人们正常的生产和生活，对个人和社会造成巨大的经济损失。一旦发生火灾，建筑物中广泛应用的混凝土和钢筋材料在火灾高温下会发生劣化，强度和弹性模量会有所降低，尤其是高性能混凝土或者超高性能混凝土受火会发生剥落甚至爆裂等损坏，严重降低了建筑的安全性。火灾对建筑物的危害使人们意识到，建筑物的全生命周期内除了要求设计和施工十分合理，也要对竣工后的安全运营与维护引起高度重视，尤其是一些投资巨大的重大工程。怎么确保这些建筑物得到科学有效且绿色经济的灾前预防和灾后修复，避免生命和财产的重大损失，正得到国内外各界人士的重视。因此，为减少火灾下建筑构件的损伤，开展建筑结构的抗火研究成为一个尤为重要的课题。
近年来，纤维对混凝土抗火性能的有利影响受到了国内外学者的广泛关注。过镇海[2]研究发现构件在受火时，截面温度场不均匀分布，会引起截面内力重分布，致使构件产生不同程度的损伤和造成其承载力下降，产生显著的变形，其组成的结构整体也由此产生不同程度的损伤和破坏，严重的还会导致建筑物的倒塌，大大降低结构的安全性。为了解决这个问题，国内外学者考虑在混凝土掺入纤维。在混凝土中掺入纤维之后，一定程度上可以提高混凝土的抗拉强度和韧性，限制裂缝的产生和扩展，对高性能混凝土或者超高性能混凝土还可以抑制火灾高温引起的剥落和爆裂，从而改善火灾高温下构件性能的劣化，提高混凝土构件的抗火性能。
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1.2 国内外关于该课题的研究现状及分析
1.2.1 国内研究现状
（1）常温下纤维混凝土梁板受力性能研究
混凝土梁在掺入纤维之后，常温下会提高其受弯承载力和延性。伍凯[3]通过 13 个型钢-钢纤维混凝土组合梁的四点受弯试验，研究不同钢纤维掺量组合梁的抗弯性能，认为钢纤维能够提高组合梁的承载力和抗弯刚度。徐海滨等[4]对钢纤维混凝土 T 形截面梁进行抗弯性能试验。结果表明，钢纤维混凝土由于钢纤维的桥联作用，一定程度上提高其抗拉强度，有效阻止裂缝的生成并使裂缝间距变密，钢纤维混凝土梁受拉区的塑性发展较普通混凝土更充分。程东辉[5]对钢纤维再生混凝土梁进行抗弯承载力试验，分析表明钢纤维再生混凝土梁受力过程和普通混凝土梁类似，纤维的掺入增加了梁的受弯承载力，抑制了裂缝的扩展，增加了构件的延性。邓宗才等[6]研究发现，耐碱玻璃纤维能够增加混凝土梁的抗弯刚度。混凝土由于耐碱玻璃纤维的存在提高了韧性进而影响梁的延展性。田贺[7]通过对不同纤维类型以及不同纤维掺量的纤维混凝土板的试验研究，发现纤维的掺入使纤维混凝土板的抗弯承载力、韧性得到提高。当纤维掺量较低时,纤维对混凝土的弹性模量影响较小，此时跨中位移与裂缝口扩展宽度之间的线性关系与试件龄期、纤维的类型、掺量没有明显关系，并且钢纤维会抑制混凝土板中性轴的上升趋势。
除了研究纤维混凝土梁的受弯承载力，有些学者还对纤维混凝土梁的抗剪承载力进行了研究。梁兴文[8]、梁敬超[9]、张建伟[10]等人研究表明，钢纤维能够增加混凝土梁剪压区的高度，一定程度上提高剪压区混凝土的强度，并能够提高骨料和混凝土之间的咬合力和纵筋的销栓作用，因此钢纤维混凝土梁的抗剪承载力会有所提高，斜裂缝的产生和发展会有所限制。李凤兰[11]提出，钢纤维会提高混凝土强度和纵向钢筋的销栓作用，进而提高钢筋钢纤维混凝土的斜截面承载力。熊毅[12]研究了不同钢纤维掺量对再生混凝土梁抗剪性能的影响规律。结果表明：钢纤维可以限制再生混凝土梁斜裂缝的裂缝产生和发展。但是如果钢纤维掺量过高的话，反而会减少再生混凝土和内部骨料之间的粘结作用，导致钢纤维混凝土梁承载能力下降。
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第 2 章 钢筋纤维混凝土梁抗火性能 2D 有限元分析
2.1 引言
本章通过查阅国内外文献总结整理了钢筋和纤维混凝土热工参数和力学参数。选取 合理的参数借助 Python 进行计算机编程建立二维（2D）有限元模型研究钢筋纤维混凝土梁的抗火性能，并且简单介绍一下国内外标准抗火试验常用的火灾升温曲线和传热原理。钢筋纤维混凝土梁 2D 有限元模拟分析主要是利用编程得到不同受火时间下钢筋纤维混凝土梁弯矩—曲率关系进而计算出梁的跨中挠度。
图 2-1 混凝土在高温下的应力—应变关系
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2.2 有限元分析基本假设
由于混凝土材料的离散性和随机性、纤维的掺入、试验方法的不同，致使国内外对于火灾下纤维混凝土的性能研究缺乏统一的标准，这就对于运用有限元模拟软件分析火灾下的钢筋纤维混凝土构件造成困难，故在对受火钢筋纤维混凝土梁进行有限元分析时需要作一些简化和假定。因此，为建立钢筋纤维混凝土梁有限元模型，作出以下假设：
（1）沿梁长跨度上的温度分布是均匀的。
（2）将混凝土视为各向同性的均质材料。
（3）纤维的掺入一定程度上可以抑制纤维混凝土的剥落，因此没有考虑纤维混凝土梁剥落现象。
（4）由于钢筋对纤维混凝梁截面温度场影响较小，在对钢筋纤维混凝土梁截面传热分析时可以忽略钢筋的作用，用梁截面钢筋位置处的混凝土温度等同于钢筋的温度。
（5）忽略混凝土和钢筋之间的粘结滑移。
（6）梁截面符合平截面假定。
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第 3 章 钢筋纤维混凝土梁和板抗火性能有限元分析 .................... 28
3.1 引言 ............................. 28
3.2 钢筋纤维混凝土梁三维（3D）有限元分析 .................... 28
第 4 章 钢筋纤维混凝土柱抗火性能有限元分析 ...................................... 44
4.1 引言 ....................................... 44
4.2 模型信息 .............................. 44
结论与展望 ......................... 52
第 4 章 钢筋纤维混凝土柱抗火性能有限元分析
4.1模型信息
对文献[62]中钢筋纤维混凝土柱（编号 HSC-H）进行模拟验证。该柱含有 42 kg/m3钢纤维和 1kg/m3的聚丙烯纤维，采用钙质骨料，保护层厚度为 50 mm。柱长度为 3300 mm，横截面为 203×203mm，纤维混凝土圆柱体抗压强度为 76MPa。柱子两端设有钢端板，尺寸为 406×406×25mm。其中，纵向钢筋采用 4Φ19，箍筋采用 Φ10@200，纵筋和箍筋屈服强度均为 420MPa，极限强度为 705MPa。升温曲线采用 ASTM E119[50]。混凝土柱截面参数，配筋情况和测点布置见图 4-1。
图 4-1 HSC-H 柱截面参数、配筋情况和测点布置
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结论与展望
结论
本文在国内外已有文献对钢筋纤维混凝土构件抗火性能研究的基础上，分别借助Python 进行计算机编程和 ABAQUS 有限元软件建立钢筋纤维混凝土构件火灾下的 2D/3D有限元模型，与已有文献的试验数据进行比较。同时研究不同参数对钢筋纤维混凝土构件截面温度场和变形性能的影响规律。得到以下结论：
（1）分析和整理国内外有关高温下钢筋和纤维混凝土的热工参数和力学参数取得的研究成果，其中最重要的是纤维混凝土的受拉应变—应变关系。由于目前国内外对于纤维混凝土的受拉应力—应变关系并没有一个统一的标准。因此，在假设 800℃下纤维混凝土抗拉性能完全丧失的基础上，建立了改进的 fib Model Code 模型，用于在高温下纤维混凝土的受拉应力-应变关系。
（2）借助 Python 进行计算机编程建立基于弯矩—曲率的钢筋混凝土梁 2D 有限元模型，再基于虚功原理计算出梁跨中挠度。与已有文献中的试验结果进行对比，吻合程度较高，说明建立的钢筋混凝土梁 2D 有限元模型具有一定的适用性。
（3）采用 ABAQUS 有限元软件建立钢筋混凝土梁的 3D 有限元模型，将 2D 有限元分析结果与 3D 有限元分析结果进行比较，两种模型都具有一定的准确性和适用性，但 3D有限元比 2D 有限元
