钢筋混凝土梁升降温全过程温度场分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 4年第 4期 ( 总第 1 6 3期) 2 7 钢筋混凝土梁升降温全过程温度场分析 杨 大峰 徐 明 ( 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 。 江苏南京 2 1 0 0 9 6 ) 【 摘 要】 文章主要利用了S A F I R有限元分析软件对火灾下钢筋混凝土梁升降温全过程的温度场进行分析和计算，并采 用该分析软件计算结果与火灾试验结果对比分析 探讨 了高温下钢筋混凝土粱升降温全过程截面温度场的分布规律， 为预 洲 火灾后钢筋混凝土粱的损失提 供参考依 据。 【 关键词】 S A F I R ； 钢筋混凝土梁； 升降温； 温度场 【 中图分类- - T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 A 文章编号】 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 2 7 0 3 Ana l ys i s o f Te mpe r a t ur e Di s t r i but i o n i n Re i n f o r c e d Co nc r e t e Be a ms d ur i ng He a t i ng a nd Co o l i ng Pha s e s YANG Da - f e n g XU Mi n g ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f C o n c r e t e a n d P r e - s t r e s s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e o f Mi n i s t r y o f E d u c a ti o n ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s o f t w a r e o f S AF I R f i n i t e e l e me n t a n a l y i s i s i s u s e d t o a n a l y z e a n d c alc u l a t e t e mp e r a t u r e d i s t ri b u t i o n o f RC b e a ms d u ri n g h e a t i n g an d c o o l i n g p h a s e s Th e c o mp u t a t i o n al r e s u l t s a r e v e ri fi e d a g a i n s t t h e d a t a o b t a i n e d b y e x p e rime n t al t e s t s o f RC b e a ms d u rin g h e a t i n g an d c o o l i n g p h a s e s T h i s p a p e r e x p l o r e s t h e r e g u l ar p a t t e r n o f t e mp e r a t u r e d i s t rib u t i o n i n b e a ms d u rin g h e a t i n g an d c o o l i n g p h a s e s Th i s r e s e arc h wi l l p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r p r e d i c t i n g d a ma g e o f RC b e a ms a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e s Ke y wo r d s：S AF I R； r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e am s ； h e a t i n g an d c o o l i n g； t e mp e r a t u r e d i s t rib u t i o n 0引育 火灾 具有升温速度快和扩散快等特点 。 发生 突然 、 难 于 控制 、破 坏力强 。火灾造成的直接伤害 明显 高于其他高温 源。2 0 0 9年 俄 罗斯 共发 生 1 8 7 4 9 0起 火 灾事 故 。死亡 1 3 9 3 3人 。 受 伤 1 3 2 0 7人 ， 烧 毁建 筑物 5 4 0 2 0栋 。 直接 物 质损失 1 0 9 2 9 7亿 卢 布 【l J 。2 0 0 9年 ，英 国发 生 火灾 事故 2 4 9 o o o起 。 其 中各类建筑 物火灾 6 1 0 0 0起 ， 道路交通 火灾 3 6 0 0 0起 田 。我 国发生的火灾次数和造成 的经济损 失也相 当的惊人 。常见 的火灾有 建筑火灾 、 露 天生 产装 置火灾 、 可 燃材料堆场火灾 、 森林火灾、 交通工具火灾等， 其中建筑火 灾发生次数最多 损失最大 。 约 占全部火灾的 8 0 m 。 2 0 1 0年 l 1 月 5日 位 于吉林市 船营区珲春街 的吉林商 业大厦 发生火灾 。 共造成 l 9人死亡 、 2 4人受 伤和重 大财产 损失 这场大火也成为 2 0 1 O年中国内地死亡人数 最多的火 灾事故 。 目前对 构件截面温度场的研究 主要集 中在火灾 的 升温阶段 对降温阶段的研究却相对较少 ， 但是根据报道 ， 降 温 阶段 结构 也 会 发生 破坏 而 倒塌 造 成人 员 财产 伤 亡 。 2 0 l 4年上海宝 山区民科路一厂房 发生火灾 在火 灾即将被 扑 灭时 失火 厂房突然发生坍塌 。 造 成宝 山消防支 队 2名 战 士被埋 压 。 经全力抢救无效 ， 壮烈牺牲 。 由此可以看到 ， 该厂 房在升 温阶段仍 可以保持其完 整性 而在降温阶段却发生 了破坏 。在火灾 现场 。 救助者会在火熄灭后进入现 场 ， 这时 结 构发 生倒 塌必然会造成更多的人员伤亡4 1 。因此 ， 研究结 构在升降温全过程中的温度场分布是十分必要的。 在 钢筋 混凝 土框架结构中 钢筋混凝 土梁是房 屋建筑 、 桥 梁建筑等工程结构 中最基本的承重构件 应用 范围极广 。 火灾高温会削弱钢筋混凝土梁 的承载能力引起结构 的破坏 甚至倒塌 。本 文主要对 火灾作用下 。 采用 S A F I R有 限元 分 析软件对钢筋混凝土梁升降温全过程的温度场进行分 析和 计算 并探讨了升降温全过程 中钢筋混凝土梁温度场 的分 布规律 为火 灾后 钢筋混凝 土梁损伤评定 与加固提供参考 。 1 计算原理 在高温作用下 钢筋混凝土梁 内部温度场 的求 解属于 非线性 瞬态 问题 其控制方程是一个非线性偏微分方程。 在 收稿日 期】 2 0 1 4 - 0 3 2 7 作者简介】 杨 大 峰 ， 东 南 大 学 混 凝 土 与 预 应 力 混 凝 土 结 构 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 硕 士 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 江苏建筑 2 0 1 4年第 4期 ( 总第 1 6 3期 ) S A F I R软件中 为了简化分析过程 ， 作出以下基本假定四： ( 1 ) 温度场分析独立于构件的 内力和变形分析 ； ( 2 ) 忽略钢材和混凝土之间的接触热阻 ； ( 3 ) 温度场沿长度方 向保持不变 ， 即构件内部温度场为 二维温度场 1 1 钢筋热 工参数 S A nR中假定钢筋的质量密度 p | 不随温度的变化而变 化 ， 保持 为 7 8 5 0 k g m 3 ； 升温阶段 钢材 的导热 系数 A 和质 量热 容 C 均 由 E u r o c o d e 3 阎 欧洲抗 火设计规 范 中的相关公 式确定 ， 且认为降温 阶段完全可逆 。 具体 表达式 如下 ： f A = 5 4 3 3 3 x l 0 _ 硼， ( m ) 2 0 T 8 0 0 【 A = 2 7 3 W ( m C )8 0 0 T 1 2 o o c 2 O IT - l 6 鳅l l O y ( k )2 O 1c 6 13 0 0 2 ， f c 4 17 8 2 0 ，o 【 c 5 o J 6 0 ( 1 73 5 ( 2 ) 7 3 5 1 9 0 I 9 O 0 R C 1 l 2 O a 升温阶段混 凝土的导热系数 A 由公式 ( 3 ) 确定 A = A “ + ( 1 一 ) f ( 3 ) 式中 俚E【 0 ， 1 】 ， 而 A 和 采用 E C 2的相关公式 ， 具体 表达式如式 ( 4 ) ： 导热系数上限值 A ： 个 个 A t = 2 0 2 4 5 1 T + 0 0 1 0 7 ( ) z W ( m C )2 0 1 2 0 o ( 4 ) 导热系数下限值 ： 个 A cF 1 3 6 - O 1 3 6 T + 0 0 0 5 7 ( _)r W (m C ) 2 1 2 o ( 5) 混凝土在降温 阶段 的导热系数 A 不可逆 。 由混凝土所 经历的最高温度来确定 升温的过程中 由于混凝土 内部含有水分 水分受热蒸 发带走 部分热量 所 以水分迁 徙对 截面温度 场的分部有一 定的影响 但是水分迁徙对温度场分布 的影响情况较 为复 杂 。 规范 中通过对 1 0 o 2 0 0 之间混凝 土比热容 的修改来 考 虑 内 部 水 分 蒸 发 对截 面 温度 场 的影 响 1 0 0 以下 和 2 0 0 C 以上时采用正 常的比热容值 。 本文采用 欧洲规 范方法 来考虑混凝土 中水分对截面温度场的影响 体积含水率取 2 混凝 土在升温 阶段的质量热容 采用 E C 2的相关表达 式 ， 降温 阶段也按 照式 ( 6 ) 逆向求解 。 2 c - 9 0 0 J ( k g C ) c 册( T - l 0 0 ) g ) c , = 1 0 0 0 + ( T - 2 0 0 ) 2 J ( k g C ) c 1 l O O y C , g c ) 试验验证 2 0 CT l 0 1 0 羽r 2 0 0 2 O 4 眦 ( 6 ) 4 I 1 2 0 o 为 了验证 S A F I R软 件在 R C梁截面温度场有 限元分析 的准确性与可靠性 本文在东南大学土木交通试验平 台水 平火灾试验炉进行了钢筋混凝 土梁 的明火升降温全过 程试 验 。 具体构件 编号与升降温时间见表 1 ， 梁截 面配筋和测点 布置如图 1 所示 。 表 I 试件一览表 ： 一 一 一 j 1 4 幽6 圈 l 钢筋混凝土配筋及测点布置图 本次试验总共包括 3根梁 尺寸均为 2 0 0m inx 3 0 0mm X 3 1 0 0 mm， 双筋矩形截面 ， C 3 0混凝 土。纵向受力钢筋采用 4 根 1 6 m i l l的 H R B 4 0 0级 钢 筋 箍 筋 采 用 中 8 mm 的 H R B 4 0 0级 钢筋 。 混凝土保护层 厚度为 2 5 m m， 测点 1 、 2和 3离梁表面的距离 为 1 个保护层厚度 温度量测采用镍硅一 镍铬热 电偶传感器 。 热 电偶布置在跨 中位置。 构件经室外养 护 1个月 室 内放置 1 个月后进行试验 。 试验 时采 用三面加 温形式 升温 曲线采用 I s 0 8 3 4标准升温曲线。3根钢筋混 凝土梁 试验时炉 内实测 平均气体 温度一 时间 与 I S O 一 8 3 4标 准升温 曲线 的对 比见图 2 。从 图中可以看出 ， 在升温阶段 炉 内实测温度与标准 曲线吻合的较好 。 符合试验要求。 t 2 o D 警8 0 0 器 垂4 0 0 口 图 2 粱实测炉温 与 I S O 一 8 3 4标准升温 曲线对 比 本文 采用 S A F I R程 序的温 度分析 模块 进行 钢筋混 凝 土梁截面升降温全过程二维温度场分析升降温曲线采用 实测 的炉 内温度 曲线 梁截面有限元模 型以及划分的 网格 如 图 3所示 ， 模型 中未考虑箍筋 的影 响 截 面周 围的数字 l 表示此面受火 采用 S A F I R的温度 场计算 结果 与试验 实测 的对 比如 图 4所示。 从图中可以看出 。 S A F I R计算 的温度结果总体上 一 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 4期( 总第 1 6 3期 ) 2 9 图 3 混凝 土梁截面有限元模型 与试验结果吻合 的较好 计算结 果与试验结果存在偏差 的 原因可能是 ： 热电偶的埋设部分与设计存在一定 的偏 差 热 电偶是在 浇筑混凝 土前 预埋的 混凝土浇筑过程振动 混凝 土可能使热 电偶位 置产 生一 定的偏差 ：混凝土本身热工性 能的离散 型比较大 S A F I R在计算 时只选取 了某 一种模型 因此软件模拟 的温度场与试验实测存在些许误差 _ 图 5 梁截 面温度点 对 S A F I R模拟 的梁截面选取 了 6个计算 点( a , b 、 c 、 d 、 e 和 1 ) ， 具体位 置见 图 I以及 图 5 ， 将它们在升温 1 h降温 2 h 5 0 o 4 0 0 3 0 o p 越 赠 2 。 o 1 0 0 O 6 0 2 D 1 8 0 时间 脚 i n 图 6 各测点计算温度 的升降温全过程下所 经历的温度绘 于图 6 从 图中可 以总 结出升降温全过程中三面受火梁温度场分布的一般规律 ： ( 1 ) 测点离梁 底面越近 测点处所 经历 的最 高温度就 越 高 各测点经历 的最高温度是非线性 的。 ( 2 )在升 温结 束后 ， 各测 点并 不能马上到达最高温度 ， 而是继续升高一段时间 。 离梁底 面越远 ， 其达到最高温度所 经历的时间就越长 ( 3 )离梁表 面越近 ， 升温速度就越快 ， 所 能达到的最高 温度就越高 。 在 降温 阶段 下降的速率就越快 。 ( 4 ) 测点 b , e 、 d和 e 在 I O 0 C， 温度上升 比较 缓慢 ， 这可 能跟混凝土 内部水分 的迁徙有关 ， 离梁 表面越远 。 水分对温 度场的影响就越大 。 4结 语 研究钢筋混凝土梁截面升降温全过程温度场的分布在 工程抗火领域有重要 的作用 理论计算的结果表 明钢筋混 凝土梁截面温度滞后现场 比较 明显 在降温后的较长 时间 内 构件 内部 仍在升温 ， 混凝 土进一步 劣化 ， 混凝 土梁抗火 能力最不利阶段发生在火灾降温阶段 。 参考文献 【 1 】 郑翠玲 2 0 0 9年俄 罗斯联 邦火 灾统计I J 1 消防技 术与 产品 信息， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 7 9 【 2 】 李艳娜 英 国最新 火 灾统 计 IJ 消防科 学 与技 术 ， 2 0 1 0 ，2 9 ( 6 ) ： 5 1 2 3 J 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 4 Z u C K， C h a rt S L ， Z h a X X No n l i n e a r p r e fi r e a n d p o s t fi r e a n a l y i s i s o f s t e e l f r a me s 】 E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 1 、 ： 1 6 8 9 1 7 0 2 【 5 】 王超 不 同受火方 式下普 通混凝土柱的耐 火性 能研 究lD】 华南理 工大学 ， 2 0 0 6 ， 6 【 6 E u r o p e a n C o m mi t t e e f o r S t a n d a r d i s a t i o n ( C E N ) B S E N 1 99 312，Eur o c o de 3：De s i g n o f s t e e l s t r uc t ur e s ，pa r t 12 ： Ge n e r a l r u l e s S t r u c t u r a l fi r e d e fi g n【 s 】 2 0 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m