钢筋混凝土的温度场有限元分析计算.pdf

江苏建筑 2 0 1 4年增 刊( 总第 1 6 5 期 ) 2 3 钢筋混凝土的温度场有限元分析计算 张 超 ( 中冶华天工程技术有限公司， 江苏南京 2 1 0 0 0 0 ) f 摘 要1 钢和混凝土是现代建筑结构中的主要材料， 而钢筋混凝土板则是其中最基本的结构形式。文章利用有限元软件 A B A Q U S对钢 筋混凝 土板进行 了数值模拟 分析 。 数值计算 中采 用二 次实体传热单元 对结构进行 离散 。 比较 了二 维模 型和三 位模 型的计算结果 ， 计算 中考虑 了由于材料热工参数 随温度 的变化 ， 计算结果与不 同的试验结果进行 了比较 ， 分析 了板 内温 度分布 的特点和规律。有关分析 方法和计算结果可为钢 和混凝 土结构进一步的抗火分析和设计提供一定的参考。 关键 词1 钢筋混凝土板； 温度分析： 有限元 【 中图分类号】 T U 3 7 7 2 【 文献标识码1 A【 文章I1 1 o o 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) S O 一 0 0 2 3 0 3 Te mp e r a t u r e F i e l d FEM S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Z HANG Ch a o ( Hu a t i a n E n g i n e e r i n g&T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n ， MC C N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 0 C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e s t e e l a n d c o n c r e t e a r e t h e p rima r y ma t e ria l s i n mo r d e n b u i l d i n g s ，i n w h i c h t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b i s a n e l e me n t a r y s t r u c t u r e I n t h i s p a p e r ， the F E s o f t w a r e A B A Q U S i s a d o p t e d t o s i m u l a t e t h e c o n c r e t e s l a b s T h e b i q u a d r a t i c h e a t t r a n s f e r e l e me n t i s u s e d t o p e r f o r m t h e n o n l i n e a r t r a n s i e n t t e mp e r a t u r e a n a l y s i s ， a n d b o t h 2 - D and 3 - D mo d e l s are c o mp are d I n t h e n u me ric a l c o mp u t a t i o n ， t h e t h e rm al c o n d u c t i v i t y a n d s p e c i fi c h e a t o f t h e ma t e ria l s v a r y i n g a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e a r e c o n c e r n e d Th e n u me ri c al r e s u l t s are c o mp a r e d wi t h d i f fir e n t e x p e r i me n t al r e s u l t s ，a n d t h e t e mp e r a t u r e d i s t ri b u t i o n s i n t h e s l a b s a r e d i s c u s s e d t h e a n a l y s i s me t h o d a n d n u me ric a l r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r c a n p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s f o r t h e f u r t h e r f i r e r e s i s t an c e r e s e arc h a n d d e s i g n o f the s t e e l an d c o n c r e t e s t r u c t u r e s Ke y wo r d s ：r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b；t e mp e r a t u r e a n aly s i s ；f i n i t e e l e me n t me t h o d 钢 和混 凝土结构 的材料性能 随温度升高而逐 渐退化 导致构件和结构的变形增加和承载力下降而不均匀的温 度场也会使构件和结构产生温度应力 以及 内力重分布 。因 此 构件和结构的温度分析是研究钢和混凝土结构在热力 耦合作用下结构响应 的基础【 。 本文 以足尺寸钢筋混凝土板为具体研究对象 利用有 限元 软件 A B A Q U S分析其在热力耦合作 用下的温度 响应 。 本文的温度分析基于如下几个假设 ： 结构体内无热源， 即 不考虑结构本身产生的热量影响：钢和混凝土在宏观上 都是均匀各向同性材料 ； 钢和混凝土的密度为常数， 不随 温度变化 1 温度一 时间曲线 ( 升温曲线 ) 温度一 时间 曲线反 应的是火 灾情 况下结构 温度随时 间 变 化的关系 是结构温度分析时所需的 已知条件 。 一般情况 下 建筑结构的火灾情况较为复杂 火灾 温度受可燃物 的性 质 、数量 和分布 以及房 间的结构形状和 面积等诸多 因素 的 影响 因此 实际建筑结构火灾 的温度一 时 间曲线有很大 的随 机性和离散性。 鉴于火灾温度的这种复杂性 许多 国家的相 关机构和组织都制定 了标准的火灾温度一 时间曲线 作为建 筑结构抗火试验 以及抗火计算的依据 目前 常用 的标 准温度一 时间 曲线包括 I S O 8 3 4升温 曲 线 和 A S T M E 1 1 9升 温曲线 ( 图 1 ) 。 本文 中钢筋 混凝土板 的 温度分析采用 I S O 8 3 4标准升温 曲线 ， 其表达式分 别为3 1 ： I S O 8 3 4： T - T o + 3 4 5 1 g ( 8 t + 1 ) ( 1 ) 式 中 为初始 温度 ( 一般取 为室温 ) ， t 为 时间 ( 单位 ： 分 钟 ， mi n) 。 2 有限元计算模型 在火 灾 ( 高温 ) 作 用下 钢筋混凝 土板 内的温度是 随时 虽 童丝 。亘翅塑暹 丝垫 料参数也是随温度变化 收稿日 2 0 1 4 - 0 8 2 0 作者简介】 张 超 ， 中 冶 华 天 工 程 技 术 有 限 公 司 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 江苏建筑 2 0 1 4年增 刊( 总第 1 6 5期 ) U 0 皇 巴 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 5 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 t i m e ( m in ) 图 1 温 度一时 闻 曲线 的因此钢筋混凝土板的温度分析实际上是一个非线性瞬 态热传导问题。 2 1 A B A Q U S温度分析建模 考虑到钢筋混凝土板单面受火时的传热特点 通常是 把板作为一维热传导问题分析 ( 即温度分布与板的宽度 和 长度无关 ) 但这种简化方法有时无法反应板的真实温度场 分布 尤其 是在板的边界 区域 的温度分析和实际情况 不符 。 因此本文在 使用 A B A Q U S对钢 筋混凝 土板进 行非 线性 瞬 态温度分析时 针对板的特 点采用 了二维实体模 型( 对简支 板取宽度 和厚度平面 对三跨连续板取长度和厚度平 面) ， 单 元采用 二维 8节点 二次传 热单元 D C 2 D 8 ： 同时 ， 为 了说 明二维单元的合理性本文对简支板的温度分析还采用了 三维实 体模 型 相 应单 元 为三 维 2 0节点 二 次传 热 单元 D C 3 D 2 0 。简支板的二维和三维有限元网格如图 2 ( a ) 和 ( b ) 所示 ： 三跨连续 板的二维有限元网格如图 3所示 。 由于板 的 底 面受火 。 此处因温度梯 度较 大而网格 较密 ： 沿板厚度方 向 划分 4个单元 ( 7个节 点) I4 1 。 ( a 1筒支板温度分析二维有限元网格 ( b 】简支板温度分析三维有限元网格 图 2 简支板温度分析有 限元 网格 图 3 三跨连续板温度分析二维有限元网格 在本文 的温度计算分析中 钢和混凝 土的密度取为常 数 ， 其余热工材料参数随温度 变化 ， 取 E U R O C O D E模型嘲 。 2 2 初始条件和边界条件 在钢筋混 凝土板的温度分析 中， 初 始温度 瓦取 为周围 环境温度 ( 室温 ) T o = 2 0 C 。板 的底 面( 受火面) 为强制对流和 辐射 边界条件 ， 有研究表 明 ， 受 火面 的热交换 以辐射为 主 ， 因此可以忽略强制对流边界条件这样板受火面的换热系 数 h 可以表示为【叫 ： h b ： 口 ( + 死 ) ( + 6 ) ( 2 ) 式中 O r = 5 6 6 9 7 x 1 0 ( m 2 K 4 )为 S t e f a n B o h z m a n n常 数 ； 8 b 为受 火表 面辐 射率 ，其 值取 为 = 0 8 ； 为热气 层 ( 火 )的温度 ，其值按照 I S O 8 3 4标 准温度一 时间曲线变化 ( 式 1 ) ； 死 为板的受火表面温度 。 板 的其他表 面 ( 非受火面 )为 自然对流和辐射边界条 件 ， 其换热系数 n 可 以表示为 6 1 ： V + 峨 ( + ) ( ) ( 3 ) 式中 1 1 为结 构特 征系数 ， 对于水平面取为 x l = 1 5 2 1 ， 对 于竖直 面取为 = 1 3 1 3 ； 为非受火 表面辐射率 ， 其值取 为 B a - 1 O ； 咒 为板 的非 受火 表 面温 度 ； 为 板周 围环境 温 度 ( 一般取 为室温 ) 。 Hc 帅 h 日Mf mm l ( a )不同时刻温度沿截面变化 曲线 ( b )不同截面的温度随时间变化曲线 图 4 有 限元计算值与青 岛理工大学试验值 比较 3计算结果和分析 图 4给 出了不 同时刻温度沿板截面 ( 厚 度方 向) 变化曲 线 以 及 不 同截 面 的温 度 随 时 间 变 化 曲 线 本 文 通 过 A B A Q U S计算 得到的有 限元 值并 与青岛理工 大学试 验值 进行 了比较 从 图中可 以看 出， 在板受 火的初始 阶段 ， 截 面温 度变化 较快 ， 然后逐渐趋于平稳 ： 在靠近板 的受火 面存在较 大的温 度梯 度 。 而这一梯度随受火时间的持续 逐渐变小 。 图中的有 限元计算值与试验值吻合较好 对于简支板 在给定截面上温度沿宽度 和长度方向分 1 1 o 。 1 0 9 0 0 8 0 0 一 p 7 0 0 w id t h ( m m) 图 5 温 度沿板的宽度方 向分布 狮 啉 啪 啪 枷 枷 0 一 l e & 唧 喜 枷 看 瑚 懒 0 霉 三ea o E0一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m