火灾下钢骨混凝土柱温度场分布的数值分析.pdf

浙江 建筑 ， 第 2 8卷 ， 第 1期 ， 2 0 l 1 年 1月 h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 8，N o 1 ，J a n 2 01 1 火灾下钢骨 混凝 土柱 温度场分布 的数值分析 Nu mer i c a l An a l y s i s on Temp e r a t ur e Dis t r i bu t ion i n St ee l Rei n f or c ed Co n c r e t e Co l u mn s Ag a i n s t Fi r e 褚航 冯 颖慧 ZHU Ha n g ，FEN G Yi n g hu i ( 1 浙江 省建筑设 汁研究 院， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 6 ； 2 杭州市公路交通管理局 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 2) 摘 要 ： 配钢管的钢骨混凝土柱由于其优越的力学性能 ， 在我围高层 和超 高层建筑 中得 到越 来越 广泛的应 用 ， 其防 火设计也 更为重要。对于钢骨混凝土柱过火残余承载力 ， 日前国内研究还较少。为研究钢骨混凝土柱过火残余 承载力 ， 首先 要对钢骨混凝 土柱在火灾情况 下温度场的分布进行研究 ， 以下对温度场进行了数值模拟 ， 分析 比较 了受火时 间 、 柱截 面尺寸 和钢管外 径三个参 数对 温度 场分布的影响。 关键 词： 圆钢管 核心柱 ； 温度 场分 布； 数值分析 中 图分 类号 ： T U 1 1 l 1 9 2； T U 5 2 8 5 9 文 献 标 识 码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 1 ) 0 l O 0 l 30 4 火灾 作用 下 ， 圆 钢 管钢 骨 混 凝 土 柱 构 件 截 面 的 温度分 布 随着 时间 而发 生变 化 ， 火灾 作用 后 ， 钢与 混 凝 土 的材料 力学 性 能 均 会 有 不 同 程 度 的退 化 ， 退 化 的程度 与火 灾 作用 下 的 温度 有 很 大 的关 系 。 因此 ， 为 了能 够研 究火 灾后 核心 柱 钢管 与核 心混 凝土 的残 余 粘结 强度 ， 必 须 首 先 确 定 核 心 柱 的温 度 场 分 布 。 本 文利 用 AN S Y S有 限元 分 析程 序 的热分 析模 块 ， 对 火 灾作用 下 的温 度 场进 行 了模 拟 分 析 ， 从 而 为火 灾 后 的力 学分 析奠 定 了基础 。 1 钢 骨混凝 土柱温 度场 的数值 模 拟基本 理论 1 1 钢 骨混 凝 土柱 的热传 导 方程及 定解条 件 在火灾情 况下 ， 钢管 混凝土结 构截 面的温度 分 布 随时间 而发生变化 ， 组 成钢管 混凝土 的钢材 和混 凝土 以及防火涂料 的导热 系数 、 比热 与密度 等热 工参 数在 高温火灾作用 下 也不 是 常数 ， 而 是 温 度 的 函数 ， 所 以 钢管混凝土结 构 的传 热是一个 非线性 瞬态 问题 。 其微 分方程是一个 非线性 抛物线型 偏微分方 程 。 根 据 文献 1 ， 对 于 内部 无 热 源 的各 向 同性 介 质 ， 其 三维 瞬态 热传 导微 分方 程 的表 达式 为 ： O T = + + ) 式 ( 1 ) 中 ： 一 热传 导 系数 ； f 一 火 的燃烧 时 间 。 上 面热 传导 方 程 的定 解 条件 包括 初始 条件 和边 界 条件 。初 始条 件 假 设 整 个 构件 截 面温 度 均 匀 ， 都 等 于室 内温 度 。边 界 条 件 一般 可 分 为 四类 ： 第 一 类 是 已知物 体边 界 上 的 温 度 函数 ； 第 二 类 是 已知 物 体 边 界上 的热 流密 度 ； 第 三 类 是 已知 与 物体 相 接 触 的 流体 介质 的温度 和热 交 换 系 数 O ； 第 四类 是 已知 固体 与 固体接 触 面上 的换热 条 件 。 火灾 情况 下 ， 柱一 般都 是 处于 四面 受火 状态 ， 可 燃物燃 烧 产生 的 大 量 热量 将 全 部 被 四周 所 吸 收 ， 因 此受火 构 件会 形成 随 时问 变化 的不 稳定 对流 和辐 射 综 合传 热 与导 热过 程 。所 以在 柱构件 热 传导 的边 界 条 件一 般 为第 三类 边界 条件 。 建 筑结 构在 火 灾情 况下 的升温一 般 都是先 快后 慢 ， 初始 阶段温 度变 化 比较 剧烈 ， 然后 变化 逐渐 趋平 缓 。 目前 国 际 上 较 为通 用 的 有 ： 国 际 标 准 I S O 一 8 3 4 与 加拿 大规 程 C A N S l O 1 升 温 曲线 。 收稿 日期 ： 2 0 1 01 1 0 8 作者简 介： 褚航 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 山东烟台人 ， 高级工程师 ， 从 事建 筑结构设 计工作 。 第 1期 褚航等： 火灾下钢骨混凝土柱温度场分布的数值分析 1 5 为 了进 一 步 考 察 影 响 S R C柱 温 度 场 的 规 律 ， 分 别 从 火灾 作 用 时 间 、 柱 截 面 尺 寸 、 内配 钢 管 直 径 大 小 等 三个 因素 对 截 面 温度 场 的 影 响 进 行 了 比较 分 析 。 2 2 1 火 灾 作 用 时 间对 构 件 温 度 场 的影 响 表 2 图 4升 温3 h沿 长 度 方 向 温 度 等 值 线 为 截面 尺寸 分别 为 3 0 03 0 01 2 0 8和 5 0 0 5 0 0 3 0 0 8的构件 截 面上 钢 管外 侧 ， 截 面 核 心两 点 在 火 灾作用 不 同 时间下 的温 度 。 图 6反 应 了该 构 件在 火灾 不 同时 间后截 面 的温 度 变化情 况 。 图 5升温3 h的截面 温 度 等 值 线 图 6构 件 在 火 灾 不 同 时 间 后 截 面 的 温 度 表 2两 种 不 同 截 面 的 钢 管在 火 灾 不 同 时 间 后 截 面 的 温 度 ( ) 从 上 面的 图表 可 以看 m ， 在 火 灾 作 用 的 开 始 阶 段 ， 两种 柱 的钢 管和 核 心 混 凝 土 的 温 度 变 化都 较 为 平 缓 ， 一 段 时间 之 后 变 化 比较 剧 烈 。而 且 两种 构 件 在 开始 变化 的趋 势 基 本 相 同 ； 但 是 在 火 灾作 用 一 个 小 时 以后 ， 在 两种 构 件 外 包 混 凝 土 厚 度基 本 相 同 的 情况 下 ， 截 面尺寸 越 大 ， 核 心混 凝土 温 度变 化就 越不 剧烈 ， 钢 管与 中心 混凝 土 的温差 也越 大 ， 这 与核 心混 凝 土的 吸热 多少有 关 。 图 7反映 了截 面 尺 寸 为 3 0 0 3 0 02 0 08的 截面 上不 同点 在不 同升 温 时间 的温度 情 况 。 由图 7可 以看 出 ， 在 整个 升 温过 程 中 ， 同一 时 间 内 由截 面外 侧 到里 侧各 点温 差越 来越 小 。钢 管 和外 侧 混凝 土各 点温 度 随时 间 的变化 基本 上 是趋 于平 稳 上升 的 ， 而 核心 混凝 土 的温 度 随 升 温 时 间 而 变 化 的 幅度是 先增 大 后 减 小 ； 在 升 温 的 1 h 到 1 5 h 比 1 5 h 到2 h 变化 要 小很 多 ， 从2 h 1 3 h Y 比 1 5 h 到2 h 变 化 较 小 ， 但 比1 h 到 1 5 h 变 化大 。 图 7不 同 升 温 时 间 截 面 上 不 同点 处 温 度 2 2 2截 面尺寸 变 化 对 温 度 场 的 影 响 为 了研 究 构 件截 面 尺寸 大小 对 温 度 场 的影 响 ， 分 别 对两 组 变 化 的参 数情 况下 的 S R C构 件 温度 场进行 了模 拟 。 图 8反 映 了在 构 件 钢管 外 径 相 同 ， 外包 混 凝 土 厚 度不 同 的情况 下 ， 受火3 h 后 钢 管外 侧 和 截 面核 心 m 瑚 矧 乃 H 叫 一 1 6 浙 江建筑 2 0 1 i 年第 2 8卷 的温 度变化 情况 ； 图 9反 映 了不 同截 面尺 寸 钢 管 外 侧温 度随火 灾作用 时 间变化 的情况 。 从图 8可 以看 出 ， 在 钢管外 径相 同 的情况下 ， 构 件截 面尺寸 越大 ， 钢管 表面 和截 面中心 的温度 越小 ， 且温 度的变化 幅度 也 是 逐 渐减 小 的 ， 钢 管 与 核心 混 凝土 的温差也 逐 渐 减 小 。随 着截 面 的 增 大 ， 钢管 表 面温度 随时 间变 化的幅 度也越 小 。当截 面尺寸 大 于 6 0 0 mm 6 0 0 m i l l 后 ， 钢 管表 面和截 面 中心 的温度 基 本上很 接近 了 ， 而且 大 小 保持 不 变 。所 以外包 混 凝 土的厚 度大对 降低 内部 温 度有 着 重 要 的影 响 ， 但 也 不是越 厚越好 ， 由图 8可 知 当外包 混 凝 土 厚度 大 于 2 0 0 mm时 ， 对降 低 内部温度 的影 响就不 大 了。 图 9反 映 了在 外包 混 凝 土厚 度 相 同 的情 况下 ， 火 灾3 h 后 不 同截 面 尺 寸构 件 的 温度 变 化 情 况 。构 件 截 面尺 寸 从3 0 0 mm 1I 1 0 0 0 mm， 外包 混 凝 土 厚度 均为9 0 mm。 由图 1 0可知 ， 随 着柱 截 面 尺 寸 的增 大 ， 钢管 表 面和截 面 中心 的温 度 逐 渐 降低 ， 而且 温 度 降 低 的 幅 度 是逐 渐收敛 的 ， 即开始 急剧 降低 ， 后 来变 化逐 渐趋 于平缓 。从 图 中可 以看 出 ， 当截 面 尺寸 超 过6 0 0 m m 6 0 0 m m后 ， 钢管表面与截面中心温度基本上保持 不 变 。所 以大 截 面 的 S R C构 件 ， 在 经 历 火 灾 作 用 后 ， 构件材 料性 能 的退化 就少 ， 因此其 粘结 强度 相对 于小截 面的构 件退 化得也 少 。 图 8 截 面尺 寸对截面温度的影响 图 9 过火时间对钢管表面温度 的影 响 图 1 0 截面尺寸对温度的影响 2 2 3 钢 管外径变化对温 度场 的影 响 图 1 1 、 图 1 2 反 映了截面尺寸分 别为3 0 0 m m 3 0 0 m i n 和5 0 0 m m 5 0 0 mm的钢骨混凝 土 构件 ， 在 内配钢管 外 径变 化时 ， 火灾3 h 后钢 管表面与截 面中心 的温度 变化情况 。 1 O O 1 2 o 1 4 o l 6 O 1 8 O 2 0 0 D m 图 l l 钢 管外径对温 度的影响 ( B= 3 0 0 ) 4 00 3 50 3 00 2 50 2 00 1 50 1 00 50 由图 1 1 可 知 ， 对 3 0 0 m m 3 0 0 m m的构件 ， 截 面 中心的温度也是随钢管外径的增大而升高 ， 但上升 的幅度远 比钢 管表 面 的 幅度 小 ， 而且 随 着 钢管 外 径 的增大 ， 其上 升 的幅度越来 越小 ， 最后 温度 几乎趋 于 不 变 ； 而 由图 1 2可 知 ， 对 5 0 0 mm 5 0 0 m m的 构 件 ， 截 面 中心 的温 度 随钢 管外 径 的增 大 ， 先 呈上 升 趋 势 o o 后 呈下 降趋势 ， 最 后 温 度也 趋 于 不 变 。对 比上 面 两 个 图可知 ， 核心 混凝 土 的温度 随钢 管 变 化 的趋 势 应 该 与钢管 外径 与截 面尺寸 的 比值 k= D B有 关 。 3 结 语 利用 有 限元通 用 程 序 A N S Y S对 配 圆钢 管 的钢 骨 混凝土 柱在火 灾作 用下 截 面 的温度 场进行 了数 值 模 拟 。为了更 全面地 考察影 响钢骨混 凝土 柱截 面在 火 灾后 的温度 场 的因素 ， 本 文从 受火 时 间 、 截面 尺寸 ( 考 虑钢 管外 径 相 同和 保 护 层 厚 度相 同两 个 系列 ) 和 钢管外 径几 个方 面 进 行 了几 组 系 列 的数 值 分 析 ， 并 对计算 结果进 行 了分析 比较 。根据 模拟结 果 可以 得 到 以下 几点 主要 的结论 ： ( 1 ) 随着 温 度 的 升 高 ， 钢 管 及 核 心 混 凝 土 的温 度 也在上 升 ， 且 上升 的幅度 是逐 渐增 大 的。 ( 2 ) 在外包保 护层厚度 相同的情况下 ， 截面尺 寸越大 ， 钢管与核心混凝土的温度越低 ， 但是降低的 幅 度逐渐 趋小 。 ( 3 ) 钢 管外 径相 同 的情 况下 ， 截面 尺寸越 大 ， 钢 (下转 第 2 8页) 2 8 浙 江建筑 2 0 1 1年第 2 8卷 =1 43 N r am ， =21 0 Nram ， =08 9 8 4， K ： 0 6 81 3， n=2， 占 0=0 0 02。 方法 一 ： P ： A ： ： A l =2 27 3 3 x 1 0 0 x 1 4 3 + l 02 5 1 0 0 x 2l 0 =5 40 3 3 2 k N 方法二 ： = 1 0 2 5 2 2 7 3 3= 0 0 4 5 ， 查 文献 2 ， 得 ： 3 5 9 5 N mm 。 则有 ： =( 0 1 9 2 2 3 5+0 4 8 8) =2 3 7 1 N r am。 P：=( + ) = ( 2 2 7 3 3+1 0 2 5)x 2 3 7 1 x 1 0 0 =5 6 33 0 2 k N 本文方法 ： P3=K A E 8 0+ 3 A =0 6 81 31 02 5 l1 0。x 2 1 x l 0 2 1 0一 + 0 8 9 8 42 2 7 3 3 x 1 0 x 1 4 3 =5 8 53 5 3 k N 误 差分 析 ： e ， =( 5 8 5 3 5 35 4 0 3 3 2 )5 4 0 3 3 2=8 3 e ，=( 5 8 5 3 5 35 6 3 3 0 2 )5 6 3 3 0 2=3 9 本方 法是 近 似计 算 方 法 ， 在处 理 工程 问题 时其 误 差值 是许 可 的 ， 以 上三 种 方 法 计算 时 均 未考 虑 钢 管初 始应力 的影 响 。 4 结 语 ( 1 ) 文献 1 中 ， 试 验 实 测 的 弹性 极 限荷 载 基本 上都 比名 义 破 坏 荷 载 ， 稍 高 ， 在 实 用 中 偏 于 保守 ， 取 N = A + A ， 所 以其计 算 结 果 比本 文 的 计算 结果低 一些 ； ( 2 ) 文献 2 中定 义 弹性 极 限 的终 点 为 钢 管混 凝 土轴 心受 压时 的组 合 比例极 限 ， 认 为此 时 钢 管 和 混 凝 土都为 单 向受 力， 尚未 产生 套 箍 约束 力 。而实 际上 开始产 生套箍 约束 力 的点 比上 述所 定义 的弹性 极 限 的终 点稍 微靠 前 ， 所 以其计 算 结 果 比本 文 的计 算 结果 稍低一 些 ； ( 3 ) 本文 以套箍 约束 作 用起 始 点代 替 弹 性极 限 点 ， 这样 可 能导 致计 算 结 果 比文献 1 、 2 计 算 结 果 稍高 。但鉴 于本 文 为 近 似计 算 方 法 ， 且其 计算 误 差值 在许 可范 围 ， 所 以在 工 程 中估 算 钢 管混 凝 土 轴 压 柱 的弹性极 限点 时 ， 可 以采用 本文 的计算 公式 。 2 3 4 参 考 文 献 蔡绍怀 现代钢 管混凝土结 构 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 3： 2 6 2 7 钟善恫 钢管混凝 土结构 M 北京 ： 清华大 学出版 社， 2 0 0 3 ： 6 26 3 李明顺 ， 徐 有邻 ， 白生翔 ， 等 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2混凝 土结构设计 规范f S 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 ： 4 2 4 3 沈聚敏 ， 周锡元， 高小旺 ， 等 抗震工程学 M北 京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 2 0 0 0： 2 6 62 6 9 ( 上接 第 1 6页 ) 管与核 心混凝 土 的温差也 越小 。 ( 4 ) 截面 尺寸相 同 的情况 下 ， 钢管 外径 越 大 ( 即 保 护层 厚度越 小 ) ， 钢 管表 面 的温度 越 高 ， 而核 心 混 凝 土 的温度增 大 的 幅度 远 小 于钢 管 表 面 ， 且 当钢 管 外 径增 大到一 一 定程 度 时 ， 核 心混 凝 土 的 温度 基 本 上 是 趋 于不变 的 。 参 考 文 献 1 于承叭 工程传热学 M 成都： 西南交通大学出版社， 1 9 9 0 ： 1 3 6 2 3 4 5 1 5 4 路春森 ， 屈立军， 薛武平 建筑结 构耐火 设计 M北京 ： 中国 建材工业出版社 ， 1 9 9 5： 3 46 6 孔祥谦 有限单元法在传 热学 中的应 用 M 北 京 ： 科学 出版 社 ， I 9 8 6： 84 0 L i e T T F i r e r e s i s t a n c e o f c i r c u l a t io n o f c i r c u l a r s t e e l c o l u mn s f i l l e d w i t h b a r r e i n f o r c e d e 0 n c r e t e J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 4+ 1 2 0( 5 0)： 1 48 91 5 0 9 韩林海 钢管 混凝 土结 构一 理论 与实践 M 北京 ： 科学 出版 社 ， 2 0 0 0： 3 l 4 3 6 6