高温下钢筋混凝土梁的温度场分析

第３８卷第７期　２　０　１　２年３月　山　西　建　筑　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．７　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｍａｒ．　２０１２　・５１・　文章编号：１００９—６８２５（２０１２）０７—００５１—０２　高温下钢筋混凝土梁的温度场分析　刘洪涛　赵鹏　（１．福建省泉州消防支队特勤二中队，福建泉州３６２０００；２．中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州２１５１６３）　摘要：使用大型有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ对钢筋混凝土梁进行温度场分析，分析结果与试验结果吻合情况较好，为进一步深入　研究钢筋混凝土梁在火灾下的力学性能和耐火极限创造了条件。　关键词：钢筋混凝土梁，高温，温度场，ＡＢＡＱＵＳ　中图分类号：ＴＵ３７５．１　文献标识码：Ａ　０　引言　［ｃ］｛　｝＋［　］｛Ｔ｝＿｛Ｑ｝。　结构构件在火灾中的承载能力对于结构的火灾安全设计至　其中，［　］为传导矩阵；［ｃ］为比热矩阵；｛　｝为节点温度向　关重要。因此，对于工程师而言，预测构件在火灾中的承载力意　义重大。大部分建筑材料的力学性能将随着温度的升高而降低，　量；｛　｝为温度对时间的导数；ｆ　ｑ｝为节点热流率向量。　特别是材料的强度和刚度，对构件的抗火性能有着重要影响。研　２温度场分析的基本假定　究表明…，虽然混凝土和钢材均为不燃烧材料，但混凝土在超过　影响钢筋混凝土梁温度场的因素众多，为简化分析过程，考　６００　ｏＣ后抗压强度将开始显著降低，而钢材则在超过６００℃后强　虑如下基本假定：　度将急剧降低。而火灾情况下，燃烧温度可达１　０００℃以上。虽　１）模型的温度场不受应力应变的影响，即为非耦合传热分析。　然结构材料温度上升滞后于燃烧温度上升，但当火灾持续时间较　２）模型内无热源产生，虽然在升温过程中混凝土梁内会发生　长时，将使得钢筋混凝土结构的承载力逐渐降低，从而导致整个　一系列化学反应，放出热量，但比起整个升温过程可以忽略不计。　结构丧失整体稳定性而倒塌。所以，温度场分析是预测构件抗火　３）模型处于均匀温度场中，温度场沿构件长度方向保持不变。　性能的关键。　４）温度场分析时忽略钢筋的存在，钢筋的温度采用其坐标中　本文使用大型有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ对加拿大学者　心处的温度。　Ｔ．Ｔ．Ｌｉｅ等　于１９９３年在天津火灾试验中心测试的一根钢筋混　５）假定混凝土为各向同性材料，各方向热工参数相同。　凝土梁进行温度场分析，分析结果与试验结果吻合情况较好。　３温度场分析的基本步骤　１　温度场分析的基本原理　本文模拟的是加拿大学者Ｔ．Ｔ．Ｌｉｅ等　试验中的一根钢筋　热分析遵循傅立叶传热定律和能量守恒定律，一般包括三种　混凝土梁，净跨５．１　ｍ，截面尺寸、配筋及跨中截面热电耦布置如　基本的热传递方式，分别为热传导、热对流和热辐射。所谓热传　图１所示。更详细的耐火试验情况可见文献［３］。　导是指当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的　２尘１０　ｌ　高温部分传递到低温部分，或在不同温度的物体互相接触时热量　从高温物体传递到低温物体。而热对流是指固体的表面与它周　围接触的流体之间，由于温差的存在而引起的热量交换。高温物　体表面常常发生热对流现象，这主要是因为高温物体表面附近的　空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动，通常用对流换热系数　表示。热辐射则是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为　图１梁尺寸、配筋及跨中截面热电耦布置情况　热能的热量交换过程。热传导和热对流都需要传热介质，而热辐　在ＡＢＡＱＵＳ中，热分析的步骤可以按照ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ提供　射无须任何介质。　的功能模块的顺序进行分析。　传热分析根据温度和时间的关系可分为稳态传热分析和瞬　１）创建部件：在Ｐａｒｔ模块中根据模型特点采取一定的简化方　态传热分析两种类型。瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷　法建立热分析的几何模型。其中混凝土模型采用三维可变实体　却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系　模型。　统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡以　２）创建材料和截面属性：在Ｐｒｏｐｅｒｔｙ模块中，定义截面和材　矩阵形式表示为：　料，并将它们赋予到部件的相应部分。特别的，需要定义材料的热　Ｏｎ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｓｐｏｒｔｓ　ｃｅｎｔｅｒ　ＺＨＡＯ　Ｊｉｎ－ｄｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｓｐｏｒｔｓ　ｃｅｎｔｅｒ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓ—　ｔｒｅｓｓｅｄ　ｌｏｓｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｏｉ￣ｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍｅ￣ｕｒｅｓ，ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｆｒａｍｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｓｔ－ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ，ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｌｏｓｓ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ，ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ　收稿日期：２０１１—１１－０９　作者简介：刘洪涛（１９８３－），男，助理工程师　第３８卷第７期　・５２・　２　０　１　２年３月　山　西　建　筑　工性能参数，包括导热系数，比热，密度等随温度变化的相关数　据。本文采用的混凝土热工性能参数取自同济大学陆洲导的博　士论文　。　＋ｌ＿Ｏｌ４ｅ＋０３　＋９．２９５ｅ＋０２　＋８．４５０ｅ＋０２　＋７．６０５ｅ＋０２　＋６．７６Ｏｅ＋Ｏ２　＋５．９１５ｅ＋０２　＋５．０７０ｅ＋０２　＋４．２２５ｅ＋０２　ｙ　▲　ｚ八Ｘ　３）定义装配件：在Ａｓｓｅｍｂｌｙ模块中创建部件的实体，并将这　些实体按照相对于其他部件实体的位置定位在总坐标系统中，构　成装配件。在该步骤中定义混凝土模型为非独立实体。非独立　＋３＿３８Ｏ　２　实体是Ｐａｒｔ功能模块中部件的指针，不能直接对非独立实体划分　网格，而只能对相应的部件划分网格。因此，只需对部件划分～　次网格，而不必再为每个非独立实体分别划分网格。　４）设置分析步：在Ｓｔｅｐ模块中，设置分析步分两步，第一步为　ＡＢＡＱＵＳ默认的初始分析步，第二步为温度场分析步，分析步类　型选择Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ，即采用非线性瞬态热传导方程进行求解。在温　度场分析中，分析步选择瞬态传热分析，定义时间分析步（Ｔｉｍｅ　ｐｅｒｉｏｄ）为７　２００，时间增量步（Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｓｉｚｅ）为６０，便于分析结果　按每６０　Ｓ即１　ｒａｉｎ一次的频率输出。打开几何非线性按钮，采用　ＡＢＡＱＵＳ默认的Ｆｕｌｌ－Ｎｅｗｔｏｎ算法可得到较为精确的数值解。　５）定义接触：在Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ模块中根据需要定义接触作用，指　定模型各区域之间或者模型的一个区域与周围区域之间在热学　和力学上的相互作用。在这一步骤中主要定义热分析中对流换　热系数随温度变化的相关参数，具体数值如表１所示。　表１　对流换热系数随温度变化的关系　温度／℃　６０—２００　４００　５０ｏ　＋２．５３５ｅ＋０２　＋ｌ｜６９０ｅ＋０２　＋８．４５０ｅ＋０１　－ｓＯ．００ｏｅ＋ｏ０　图２理论计算结果模型　＋一试验值　计算值　０　１　０００　２　０００　３　０００　时间，ｓ　图３测点３实测值和计算值的比较　试验值　计算值　０　ｌ　０００　２　０００　３　０００　对流换热系数　温度／℃　对流换热系数　ｌ１．６３　８００　６３．９７　１７．４５　９ｏＯ　８１．４１　２３．２６　１　０ｏ０　１０４．７　６００　、　咀　３４．８９　ｌ　１００　１３９．６　７００　时间／ｓ　４６．５２　ｌ　２００　１７４．５　图４测点６实测值和计算值的比较　如图３，图４所示，对位于钢筋混凝土梁中心处的３号温度测　６）定义荷载和边界条件：在Ｌｏａｄ模块中施加边界条件、温度　荷载及相关的场变量。通过预定义场变量（Ｐｒｅｄｉｉｆｎｅｄ　Ｆｉｅｌｄ　Ｍａｎ－　点，当温度达到１００℃时，混凝土对应的曲线有一个温度平台，这　是因为在１００℃时混凝土水分蒸发，吸收热量，导致温度升高缓　ａｇｅｒ）定义耐火试验ＩＳ０－８３４标准升温曲线　Ｊ，并将其应用于该梁　模型的三个受火面。　７）划分网格：在Ｍｅｓｈ模块中根据需要划分适当的网格大小，　并选择合适的单元类型。由于模型较为规整，可定义网格尺寸为　２５　ｍｍ，采用结构化网格划分技术，选择单元类型为三维８节点隐　慢。而距梁底面２５　ｍｍ的混凝土由于距受火面较近，水分可以快　速蒸发，温度平台不明显。　在有限元模拟中无法考虑水分蒸发所导致的温度升高延迟，　故３号测点的计算数据与试验数据存在一定的偏差，而接近梁底　的测点６计算结果与试验结果吻合情况良好能够满足非线性有　限元模拟精度的要求。　式线性热传导单元ＤＣ３Ｄ８。　８）提交分析作业：完成了模型定义后，可在Ｊｏｂ模块中提交分　析作业，进行有限元分析计算并监控其计算过程。　９）后处理：Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ模块提供了有限元模型和分析结果的　５结语　本文利用现有的高温下材料热工性能方面的研究成果，采用　ＡＢＡＱＵＳ有限元软件成功进行了钢筋混凝土梁在高温下截面温　度场分布的模拟计算，数值分析结果与试验结果吻合良好，为进　一图形显示，从输出数据库中获得模型和结果信息，并对分析结果　进行后处理。　步深入研究钢筋混凝土梁在火灾下的力学性能和耐火极限创　４计算结果与试验结果的对比与分析　造了条件。　参考文献：　理论计算结果模型如图２所示。在试验中沿梁截面布置了　［１］　叶列平，赵作周．混凝土结构［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　６个温度测点，在此仅列出最有代表性的测点６和测点３的分析　２００６．　结果，如图３，图４所示。　［２］Ｈ．Ｊ．Ｗｕ。Ｔ．Ｔ．Ｌｉｅ，Ｊ．Ｙ．Ｈｕ．Ｆｉｒｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｂｅａｍ－Ｓｌａｂ　Ｓｐｅｃｉ－　ｍｅｎｆｉ－Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｉｅｓ．Ｃａｎａｄａ，１９９３（３）：１８－１９．　从上述的温度场模拟情况来看，随着耐火试验进行的程度，　面内部发展。由于混凝土材料的热惰性，加固梁截面形成不均匀　加固梁受火面的温度越来越高，通过传导作用，热量逐渐向梁截　［３］　陆洲导．钢筋混凝土梁对火灾反应的研究［Ｄ］．上海：同济　大学博士论文，１９８９．　的温度场。加固梁底面和侧面的温度最高，但均低于环境温度，　［４］　ＩＳＯ－８３４，１９７５．Ｆｉｒｅ　ｒｅｓｉｓｔｎｃｅ　ｔａｅｓｔｓ—ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｃｏｎ—　且由于加固梁顶表面不受火，所以该处的温度最低。　ｓｔｒｕｃｉｔｏｎ［ｓ］．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ－ｔａｏ　ＺＨＡＯ　Ｐｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｄ　ｌａｒｇｅ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＢＡＱＵＳ　ｍａｄｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｆｅｌｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ，ｔｈｅ　ａ．　ｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｇｒｅｅｄ　ｖｅｒｙ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｃｒｅａｔｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｄｅｅｐ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｆｉｒｅ．ｒｅ．　ｓｉｓｔａｎｔ　ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｉｎ　ｆｉｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ，ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｆｅｌｄ，ＡＢＡＱＵＳ