火灾下钢筋混凝土剪力墙温度场分析.pdf

2 0 1 0 年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0l 0 ( To t a 1 No 2 43) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 0 2 火灾下钢筋混凝土剪力墙温度场分析 刘桂 荣。宋玉普 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ，辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 ： 对火灾下钢筋混凝土剪力墙 的温度场进行了有限元计算分析 ， 得 到了剪力墙截 面温度场分布规律 ， 计算结果 与试验结果符合较 好 。 在此基础上 ， 分析了混凝土热工参数 、 迎火 面对流系数及综合辐射系数对混凝土剪力墙温度场的影响。 结果 表明： 已有文献给出的混凝 土热工参数对剪力墙温度场影响不大 ， 但是温度场对迎火 面对流系数及综合辐射系数的变化较为敏感 。 关键词 ： 火灾；剪力墙 ；温度场 ；热工参数 ；对流系数 ；综合辐射 系数 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) O l 一 0 0 0 4 0 3 Tempe r a t ur e f i el d o f r ei n f or c e d c onc r et e s he ar wa l l s e x pos e d t o f i r e Lr U Gu i t o n g S ONG Yu - pu ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r y o f C o s t a l a n dOf f s h o r e E n g i n e e r i n g ， Da l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e t h e r ma l fie ld o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r wa l l u n d e r fir e i s a n a l y z e d by fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ANSYS a n d t h e s e c t i o n t e mp e r a t u r e di s t r i b u t i o n i s o b t a i n e dM o r e o v e r ， t h e n ume r i c a l a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s a r e c o mp a r e d a nd a g o o d a g r e e me n t i s s h o wn Ba s e d o n t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l ， a d e v e l o p e d p a r a me t r i c a n a l y s i s i s u nd e r t a k e n， i n wh i c h t h e r ma l p r o pe r t i e s o f c o n c r e t e c o n v e c t i o n c o e ffic i e n t a n d r a d i mi o n f a c t o r o f t h e e x p o s e d s u r f a c e are tak e n i n t o a c c ou n t T h e r e s ul t s i n d i c a t e t h a t t h e rm a l p r o p e rti e s o fc o n c r e t e g i v e n b y th e r e l a t e d d o c u m e n t s h a v e l i t t i e e f f e c t o n t e mpe r a tur e fie l d Ho we v e r ， t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t io n iS s e n s i t i v e t O c h a n g e s i n c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i o n f a c t o r s o f t h e e x p o s e d s i d e Ke yw o r ds ： fire； s h e a r wa l l ； t e mpe r a t u r efie l d； t he r ma 1 p ara me t e r s ； c o n v e c t i o n c o e m c i e nt ； c o mb i n e d r a di a t i o nf a c t o r 0 引言 确定混凝土结构火灾下的温度场分布是进行火灾下力学 反应分析的前提， 且对火灾后结构损伤的正确评估及修复加固 也具有重要作用。 钢筋混凝土结构温度场一般不受其内力和变 形状态影响， 因而温度场分析可以先于结构分析独立进行 。 火 灾下混凝 土结构温度场分 析是 一个复杂 的非线性 瞬态导热 问 题 ， 无法运用解析法求解 。本文利用有限元 A NS YS软件进行 了混凝土剪力墙火灾下的温度场模拟 ， 并与试验结果进行了对 比。 火灾下混凝土构件的温度场分布受材料热工参数等因素 的影响。通过试验研究各种参数对温度场的影响难度较大 。本 文通过有 限元计算分析研究 了混凝土热1 二 参 数以及迎火面对 流系数、 综合辐射系数对混凝土剪力墙火灾下温度场的影响规律。 1 温度场数学模 型 1 1 导热平衡方程 当混凝土构件遭受火灾作用时， 其内部温度场分布是一个 非线性瞬态问题， 导热微分方程为2 ： p c t + + ) 式中 ： p 一材料密度 ， k g m ； c 材料质量热容， J ( k g K) ； 卜内部温度 ， ； 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 7 - 2 8 基金项 目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题( 2 0 0 8 0 1 4 1 0 0 0 5 ) 4 火灾时间 ， S ； 材料导热系数 ， W ( m K) 。 1 2 定解条件 为了求 出火灾下混凝土构件温度场分布 ， 还需要确定结构 的初始条件和边界条件。 ( 1 ) 初始条件 初始条件指火灾开始时刻计算模型所具有的已知条件 ， 一 般假设整个结构的温度均匀， 且等于环境温度 ， 表示为： 7 1 ( 2) ( 2 ) 边界条件 火灾中对流和辐射传热明显， 故边界条件中主要考虑这两 种因素的影响 ， 边界条件表示为 ： 一 l ( T f )+ 【( + 2 7 3 )4 ( T & 2 7 3 )4n ( 3 ) d lr 式中： 一 对流换热系数， w ( m K) ； h 一综合辐射系数； o S t e f a n B o l t z ma n n常数 ( o - = 5 6 7 x 1 0 W ( I l l I ( 4 ) ) ； 火焰温度 ， ； 一 构件边界 的温度 ， 。 2 A Ns Ys有限元温度场分析 钢筋混凝土剪力墙受火面积为 l 2 0 0 mmx 7 0 0 mm， 墙厚为 1 0 0 mm。火灾试验中， 剪力墙水平置于炉顶， 单面受火， 其两侧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 面用保温材料石棉盖住。由于钢筋在钢筋混凝土结构中所占体 积很小， 且钢材的热传导系数值很大， 因此， 在计算结构温度场 时忽略钢筋 。A NS YS有限元分析具体步骤如下 ： ( 1 ) 建模 取一半墙高处截面， 按二维问题计算。热传导单元采用二 维单元 p l a n e 5 5 ， 该单元为四节点平面等参单元， 仅具有温度自 由度。 混凝土热_ 参数( 导热系数、 质量热容) 按文献【 l 】 取用， 混 凝土密度取 2 4 0 0 k g m 。 ( 2 ) 划分网格 火灾试验中， 环境温度变化剧烈 ， 且剪力墙单面受火， 造成 沿墙厚度方向存在着较大的温度梯度。因此， 有限元分析中， 墙 厚度方向采用了较细的单元划分： 在墙厚度方向上单元边长为 5 l l n ， 而在墙宽度方向上单元边长为 2 0 1T l I n 。 ( 3 ) 施加荷载 试验 时环境温度大约为 1 5 2 0 ， 火灾开始时刻假设构件 内温度和环境温度一致 ， 取墙内温度为 1 5。火灾后 ， 背火面及 墙的两侧面环境温度均取 1 5 ， 受火面的环境温度取炉内温度。 实际炉温升温曲线和标准升温曲线 I S O一 8 3 4有一定差距 ， 计算 时取 图 1中所示 曲线 。 剪力墙的边界条件为三边对流边界， 一边对流、 辐射边界。 其中， 背火面和两侧边为对流边界条件， 迎火面为对流、 辐射边 界条件。边界条件中的参数采用下列数值 ： 在受火面由于炉内 空气流动速度较快 ， 取 h = 1 0 W ( m2 K) ， h y0 3 ； 墙 的背火面取 8 W ( m K) ； 而在墙 的两侧 面 由于有一定 的覆盖物 ， 取 h o = 6 W ( m2 K) 时 1 司 mi n 图 1 炉温及计 算采用升 温曲线 ( 4 ) 求解 设定计算 时间为 9 0 mi n ， 通过计算得到了升温至 9 0 mi n时 剪 力墙截 面温度场分布云图( 图 2 所 示 ) 。图 3为 A NS Y S计算 温度场和试验量测对比 ， 其 中 d为距离迎火面距离 。由于有 限 元计算分析中未考虑水分蒸发和迁移对构件内部温度场的影 响， 因此， 在背火面附近计算值和试验值相对其他部位误差较 大3 1 ， 而在其他研究点处试验和计算符合很好。 NODAL S o LUT 1 0 N S丁EP=l R0 SUB=l TEM Pl AVG、 RSYS= 0 SM N=l 24 07 S M X= 5 6 5 5 8 4 1 2 4 0 7 2 2 2 1 8 4 3 2 0 2 9 8 4 1 8 4l 3 51 6 5 2 7 l 7 3 1 2 7 2 7 1 2 4 1 3 6 9 3 5 5 4 6 7 4 7 5 6 5 5 8 4 图 2温度场分布云 图 600 500 400 300 赠 200 1 OO m m 5m m 0m m m m 0 2 O 4 O 6 0 8 0 1 0 0 时间 min 图3 A N S Y S计算和试验比较 3 参数分析 研究参数的取值对温度场影响时， 每次只改变一个参数， 其 他参数保持不变， 均根据前述取值， 从而得到各参数变化对混 凝土剪力墙 内部温度场分布的影 响。 3 1混凝 土热工 参数 混凝土热工参数包 括导 热系数和质量热容 ( 本文 中密度取 常数 2 4 0 0 k g m3 ) 。导热系数定义为单位时间内、 在单位温度梯 度下， 通过材料单位面积的导热量。导热系数的数值表征了材 料导热能力的大小， 其大小一般由试验测定。质量热容为单位 质量的物质温度升高( 降低 ) 1 所需吸收( 释放) 的热量 ， 反映 了物质吸热 ( 放热 ) 能力。图 4 、 5 给 出了文献 I 】 、 4 1 及 5 】 采用 的 混凝土热工参数值。图6给出了混凝土热工参数对温度场的影 甚 1 曲 ： 壤 矧 600 500 400 3 0 0 赠 2 0 0 l O0 O 2 温度 温度 图 5 混凝土质量热容 2 0 4 0 6 O 8 0 l O 0 时间 rai n 图 6 混凝土热工参数对温度场影 响 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 响规律 ， 由图可 以看 出 ， 各 文献中给出 的混凝土 热_丁参数对温 度场影响不大， 升温至 9 0 mi n时， 沿墙厚度不同处的温度计算 值差别不超过 l O， 其 中按文献 5 热丁参数计算迎 火面温度 最高 ， 背火面温度最低。 3 2 迎 火 面对 流 系数 混凝 土迎火 面对 流系数主要受空气 的流动速度影响。 图 7 给出了不同迎火面对流 系数值对温度场 的影响 ， 由图可以看 出， 距离迎火面越近的点， 其温度值受对流系数的影响越显著。 当对 流系数从 1 0 W ( m K) 增加到 4 0 W ( m： K) 时， 迎火面为温度 计算值增加了 7 0， 而背火面温度计算值增加了 3 0 C。 7 0 0 6 0 0 50 0 40 0 赠 3 0 0 2 00 10 0 0 2 0 4 0 6 0 8 O l O O 时间 rai n 图 7 迎火面对流系数对 温度场影响 3 3 迎 火 面综 合辐射 系数 综合辐射系数 h r= e ， 其中： s 为混凝土表面辐射系数 西 为试验炉的辐射系数。图 8 给出了不同迎火面综合辐射系数 h 对温度场的影 响。随着研究点距离迎火 面距离 的增加 ， h 对温 度值的影响逐渐降低。 当h 从 0 3增加到 0 6时， 迎火面温度计 算值大约增加了 1 0 0， 背火面温度计算值增加了2 5。 4结论 ( 1 ) 利用ANS YS有限元软件分析了火灾下钢筋混凝土剪 力墙的温度场分布， 与试验结果 比较发现， 计算和试验符合较 好， 为进一步研究钢筋混凝土剪力墙火灾下的力学性能和火灾 后的剩余承载力提供了前提条件。 上接第 3页 ( 2 ) 对复合胶凝材料组分材料掺量及其组合的研究表明： 存在最优掺量组合 ， 在此条件下胶凝材料将 具有 良好 的膨胀 与 强度 的协调性 。 ( 3 ) 在水泥 CS A体系中， C S A的掺量范围在 6 1 2 ， 其中掺 6 0 置用于配制补偿收缩混凝土， 掺8 c 1 垂 用于配制填充性 混凝土。- - c s A 一 低钙粉煤灰体系中， 低钙粉煤灰掺量范围是 1 5 2 5 ， C S A掺量范围在8 o 1 2 。水泥_ C s A _ 高钙粉煤灰体系 中， 高钙粉煤灰掺量范围是 1 5 2 5 ， C S A掺量范围在 8 。 ( 4 ) 由于高钙粉煤灰具有膨胀性， 随其掺量的增加 ， 复合体 系限制膨胀率增加， 而不同掺量的低钙粉煤灰对试体限制膨胀 率影响不大 。 ( 5 ) 掺入粉煤灰可以消减膨胀体系的限制膨胀率峰值， 对 体系膨胀内能具体有“ 缓释作用” ， 而低钙粉煤灰作用优于高钙 粉煤灰 。 参考文献 ： 1 】A I T C I N P C H i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e M E a n d F N S p o n ， 1 9 9 7 ： 3 - 5 2 吴中伟， 廉慧珍高性能混凝土f M 】 _ E 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 ： 1 1 1 2 【 3 】ME HT A P K， A I T C 1 N P C P ri n c i p l e o n p r e p a r a t i o n o f h i g h p e r f o r 一 6 7 OO 6 0O 5 0O 4 0 0 美 3 o o 2 OO l OO O 20 4 0 60 80 1 0O 时间 mi n 图 8 迎 火面综合辐射 系数对温度场影响 ( 2 ) 文献 中给出的混凝 土热工参数对火灾下混凝土剪力墙 内部温度场影响不大， 计算中采用不同的热工参数所得到的升 温至 9 0 mi n时的温度差值不超过 1 0。 ( 3 ) 迎火面对流系数和综合辐射 系数对混凝土剪力墙温度 场影响显著 ， 且距离迎火面越近 ， 其影响越显著 。因此 ， 对流系 数和综合辐射系数的选取有待进一步研究。 参考文献 ： 【 1 过镇海， 时旭东， 钢筋混凝土的高温性能及其计算 M 北京： 清华大 学出版社 ， 2 0 0 3 2 】章熙民， 任泽霈， 梅飞鸣 传热学【 M 】 - E 京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 07 3 张少 民， 屈立军 ， 褚新颖 标准条件下考虑水分迁移混凝土板温度场 数值计算I j 1 火灾科学 ， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 4 ) ： 2 0 6 2 1 1 【 4 】K OD U R V K R， 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 r s t e e l c o l u mn s fi l l e d w i t h fi b e r - r e i n f o r c e d c o 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 6 ， 1 2 2 ( 7 ) ： 7 7 6 7 8 2 5 陆洲导 冈 筋混凝土梁对火灾反应的研究 D 上海 ： 同济大学， 1 9 8 9 作者 简介 单位地址 联系电话 刘桂荣 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 博士研 究生 ， 主要从事钢筋混凝土结 构抗火性能研究。 大连理工大学结构研究所( 1 1 6 0 2 4 ) 1 3 5 0 0 7 5 5 6 2 8 ma n e e c o n c r e t e J C e m C o n c r A g g r e g a t e s ， 1 9 9 0， 2 ( 1 2 ) ： 7 0 7 8 4 】 王栋民， 金欣， 王洪涛 ， 等 水泥一 膨胀剂一 磨细矿渣复合胶凝材料膨 胀与强度性能及水化产物显微结构研究 c 】 E 京： 中国硅酸盐学会 ， 2 o 01 ： 3 4 8 3 5 9 5 】陈建奎， 王栋民 高性能混凝土( H P C ) 配合比设计新法全计算 法 J J _ 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 4 1 9 8 6 6 S A L A S A， D E L V A S T O S， G U T I ER R E Z R M, e t a 1 C o m p a r i s o n o f t w o p r o c e s s e s f o r t r e a t i n g ri c e h u s k a s h for u s e i n h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ： 7 7 3 7 7 8 【 7 H OS S A I N K M A， L AC H E MI M S t r e n g t h， d u r a b i l i t y a n d mi c r o s t r u c t u r a l a s p e c t s o f h i g h p e r f o rma n c e v o l c a n i c a s h c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 7 5 9 7 6 6 f 8 18 王栋民， 金欣， 欧阳世翕 水泥一 膨胀剂一 磨细矿渣复合胶凝材料膨胀 与强度发展的协调性研究 J l 圭 酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 2 ) ： 5 9 6 3 作者简介 单位地址 联 系电话 王栋民( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事高性能混 凝土与9 b T O O J U 、 生态环境建筑材料方面的科研及专业教学 工作。 北京币海淀区学院路 1 1 号 中国矿业大学( 北京) 宝源公 寓 A 2座 1 0 0 5室 ( 1 0 0 0 8 3 ) 1 3 4 2 6 3 5 6 0 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m