火灾下钢筋混凝土柱温度场有限元模拟分析.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation802023 年 第 19 期文章编号：2095-6835（2023）19-0080-03火灾下钢筋混凝土柱温度场有限元模拟分析章晴雯（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）摘要：近年来，建筑火灾频繁发生，带来巨大的经济损失和惨重的人员伤亡。为了减小损失，并且做好灾后修复的工作，需要对建筑结构的抗火性能进行全面系统的研究。分析确定了材料的热物理参数，利用 ABAQUS 软件建立了钢筋混凝土柱的温度场计算模型，并且通过实验验证了模型的合理性，为进一步研究建筑结构的温度场分布和抗火性能建立了理论基础。关键词：钢筋混凝土柱；温度场；热物理性能；数值模拟中图分类号：TU375文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.0241研究背景常见的建筑工程灾害包括地震、强风和火灾等。其中火灾的发生频率远远高过其他建筑灾害。据国家消防救援局统计，2020 年全国发生火灾 25.2 万起，2021 年发生火灾 74.8 万起，2022 年发生火灾 82.5 万起，火灾发生的频次和死亡人数均有逐年上升的趋势。火灾下建筑物抗倒塌设计以及火灾后建筑物的加固修复研究对维护国家利益和人民的生命财产安全具有十分重要的现实意义，因此非常有必要开展建筑结构抗火研究，制定相关的规范。目前国内外针对结构抗火的研究方法大致分为3 种，具体为试验、数值计算、性能化抗火设计。其中数值计算方法因为其价格低廉、方便操作、周期短等优势得到了广泛应用1。本文在分析比较材料高温物理特性的基础上，选择合适的热物理指标，利用大型有限元软件 ABAQUS建立钢筋混凝土柱的温度场数值模拟模型。为进一步分析建筑构件在火灾下的温度场分布和建筑结构的火灾力学性能打下了基础。2钢筋和混凝土材料热物理指标通过热对流和热辐射作用，火场温度传递到建筑的构件上，再通过热传导的作用，构件内部形成温度场。要获得准确的温度场分布，就必须先确定建筑材料的热物理性能，包括热膨胀系数、导热系数和比热。国内外学者对钢材和混凝土的热物理性能做了大量的研究，其中一些热工参数已运用在温度场数值模型中并得到了实验数据的验证。2.1钢筋的热物理指标2.1.1钢筋热膨胀系数根据澳大利亚钢结构标准 AS 410019902、日本建筑物综合防火设计规范3、中国 GBJ 7788 钢结构设计规范4和 LIE 等5提出的钢材热膨胀系数计算公式绘制的钢筋热膨胀系数随温度变化的曲线图如图 1 所示。图 1钢筋热膨胀系数随温度变化曲线图根据各国学者的研究成果，认为钢筋热膨胀系数随温度升高而增大。本文采用 LIE 等5提出的公式：000 1 1016 000 1 1012004016-16-1sTTT.）（式中：s为钢材热膨胀系数，单位 mm-1-1；T1为钢材温度的数值，单位。2.1.2钢筋热传导系数根据日本建筑物综合防火设计规范3、LIE基金项目2022 年浙江省教育厅一般科研项目（编号：22407030186）；2022 年嘉兴职业技术学院校立科研项目（编号：jzyy202223）AS 41001990建筑物综合防火设计规范GBJ 7788LIE 等02004006008001 0001 200温度/10-52.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期81等5、EN 1993-1-26、EN 1994-1-27和上海市 DG/TJ0800820008提出的钢材热传导系数计算公式绘制的钢筋热传导系数随温度变化的曲线图如图 2 所示。图 2钢筋热传导系数随温度变化曲线图LIE 等5、EN 1993-1-26和 EN 1994-1-27提出大约 750 范围内，钢筋热传导系数会随温度升高而变小，随后保持稳定。本文采用了EN 1993-1-26及EN 1994-1-27提出的公式：200 1 008 7.32 008 02 10333541112-sTTT.k式中：ks为钢材热传导系数，单位 Wm-1-1。2.1.3钢筋比热根据日本建筑物综合防火设计规范3、LIE等5、EN 1993-1-26、EN 1994-1-27和上海市 DG/T J0800820008提出的钢材比热计算公式绘制的钢筋比热随温度变化的曲线图如图 3 所示。图 3钢筋比热随温度变化曲线图LIE 等5、EN 1993-1-26和 EN 1994-1-27提出钢筋比热在 725 附近有一个迅速的涨落。本文采用 EN1993-1-26及 EN 1994-1-27提出的公式：200 1 009 650 900 357 731820 17545 357 006 738002 13666 600 02 102221069110737425111111316-213-11-sTTT/TT/TT.T.T.c）（）（式中：cs为钢材的比热的数值，单位 Jkg-1-1。2.2混凝土的热物理指标2.2.1混凝土热膨胀系数根据 LIE 等5、EN 1993-1-26、EN 1994-1-27、李引擎等9提出的混凝土热膨胀系数计算公式绘制的混凝土热膨胀系数随温度变化的曲线图如图 4 所示。图 4混凝土热膨胀系数随温度变化曲线图混凝土热膨胀系数随温度升高而增大。本文采用LIE 等5提出的公式：c=（0.008T2+6）106式中：c为混凝土热膨胀系数，单位 mm-1-1；T2为混凝土温度的数值，单位。2.2.2混凝土热传导系数根据 LIE 等5、EN 1994-1-27和陆洲导10提出的混凝土热传导系数计算公式绘制的混凝土热传导系数随温度变化的曲线图如图 5 所示。图 5混凝土热传导系数随温度变化的曲线图EN1993-1-2及 EN1994-1-2建筑物综合防火设计规范DG/TJ080082000LIE 等02004006008001 0001 200温度/10-5李引擎等LIE 等EN1993-1-2及EN1994-1-202004006008001 000 1 200温度/EN1993-1-2及 EN1994-1-2建筑物综合防火设计规范DG/TJ080082000LIE 等02004006008001 0001 200温度/5 0004 0003 0002 0001 0000EN1994-1-2陆洲导LIE 等02004006008001 0001 200温度/4.54.03.53.02.52.01.51.00.50科技与创新Science and Technology&Innovation822023 年 第 19 期根据各国学者的研究，认为混凝土热传导系数会随温度升高而变小。本文采用 EN 1994-1-27提出的公式：200 1 02 212024012001202222cTT.T.k式中：kc混凝土的热传导系数，单位 Wm-1-1。2.2.3混凝土比热根据 EN 1994-1-27和陆洲导10提出的混凝土比热计算公式绘制的混凝土比热随温度变化的曲线图如图 6 所示，从图中可以看出混凝土比热随温度升高而增大。图 6混凝土比热随温度变化的曲线图本文采用 EN 1994-1-27提出的公式：200 1 02 9001208012042222cTTTc式中：cc为混凝土的比热的数值，单位 Jkg-1-1。3火灾下钢筋混凝土柱的温度场数值模型为了验证数值计算模型的准确性，选取 XU 等11做过的一根方形截面钢筋混凝土柱的火灾试验数据，按照此柱的尺寸和配筋情况创建构件，根据前文所述材料热工参数赋予材料属性，施加 ISO834 标准火灾荷载，建模计算得到测点 1 和测点 2 的温度-时间曲线，如图 7（a）所示。如图 7（b）所示，ABAQUS 建模得到的温度-时间曲线与实验测得的曲线吻合较好。2 组曲线间的些许差异可能是由于数值模型没有考虑火灾过程中水蒸汽向柱中心迁移的影响，浇筑混凝土过程中热电偶的位置也可能发生了移动。4结论基于本文的研究成果，可以得到以下结论：ABAQUS建立的计算模型可以有效评估钢筋混凝土柱的温度场分布，为了使结果更准确，应考虑水蒸气的影响；越远离柱表面，温度越低，温度升高速率与测点到柱表面的最小距离成反比。（a）本文数值计算结果（b）XU 等的数值计算和实验结果对比图 7数值计算温度与实测温度的对比参考文献：1董毓利.混凝土结构的火安全设计M.北京：科学出版社，2001.2Standards association of australian（SAA）.AS 41001990steel structuresEB/OL.2023-09-11.https:/codehub.building.govt.nz/resources/as-4100-1990/.3孙金香，高伟.建筑物综合防火设计M.天津：天津科技翻译出版公司，1994.4北京钢铁设计研究总院.GBJ 1788 钢结构设计规范S.北京：中国计划出版社，1988.5LIETT，DENHAMEMA.Factorsaffectingthefireresistanceofcircularhollowsteelcolumnsfilledwithbar-reinforcedconcreteDB/OL.2023-09-11.https:/nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=51e31326-4494-4200-a6d3-88d555110c0a.6Europeancommitteeforstandardization.EN1993-1-2eurocode 3:design of steel structuresS.1993.7 European committee for standardization.EN 1994-1-2eurocode 4:design of composite and concrete structuresS.1994.（下转第 85 页）时间/min测点1计算结果测点1实验结果测点2计算结果测点2实验结果EN1994-1-2陆洲导02004006008001 0001 200温度/160012008004000时间/minScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期85（a）不完整图像 1（b）不完整图像 2（c）拼接结果 1（d）拼接结果 2（e）拼接结果 3（f）拼接结果 4图 2图像拼接效果表 1不同方法组合的的图像拼接效率及效果统计统计项目SIFTSurfBFFLANNBFFLANN特征提取耗时/s15.12213.3899.0439.237特征匹配耗时/s20.1020.82325.4531.254图像配准耗时/s0.9510.7171.2130.744图像融合耗时/s135.547143.953166.159117.463特征点匹配组合/个8 2971 17413 3652 5664结束语本文以获取平面内大范围目标图像为目标，设计实现了一种基于平面滑台的移动拍摄系统。下位机移动滑台负责图像拍摄，图像处理模块负责图像拼接，客户端界面负责操作控制和图像显示。系统采用Surf+FLANN 算法进行图像拼接。通过客户端界面给下位机发送控制指令，使电机带动丝杆转动，用移动摄像头进行拍摄，将拍摄到的图片显示在客户端并进行拼接处理。整套系统很好地解决了移动拍摄的多幅图像的自动拼接问题，为机器视觉领域超过机器视域范围的大目标整幅图像获取提供了一种解决方案。参考文献：1陈思思.关于匹配图像拼接技术的研究J.计算机产品与流通，2019（5）：135.2 LINDEBERG T.Scale-space theory:a basic tool for analyzingstructures at different scalesJ.Journal of applied statistics，1994，21（1）：225-270.3王金龙，周志峰.基于 SIFT 图像特征提取与 FLANN 匹配算法的研究J.计算机测量与控制，2018，26（2）：175-178.作者简介：钱国（1970），男，上海人，本科，高级技师，主要从事冶金行业电气安装及智慧建造研究工作。（编辑：严丽琴）（上接第 82 页）8同济大学，上海市消防协会.DG/T J080082000 上海市工程建设规范 建筑钢结构防火技术规程S.出版社不详，2000.9李引擎，马道贞，徐坚.建筑结构防火设计计算和构造处理M.北京：中国建筑工业出版社，1991.10陆洲导.钢筋混凝土梁对火灾反应的研究D.上海：同济大学，1989.11XU Y，WU B.Fire resistance of reinforced concrete columnswith L-，T-，and+-shaped cross-sectionsJ.Fire safetyjournal，2009（44）：869-880.作者简介：章晴雯（1986），女，江西南昌人，硕士，讲师，研究方向为结构抗火。（编辑：张超）