某钢管混凝土柱结构受火仿真研究.pdf

3 4 张承业 某钢 管混凝土柱结构受 火仿真研 究 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 6 ) o 3 0 3 4 0 3 某钢 管混凝土柱结构 受火仿真研 究 张承业 ( 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 为复核某水电站主厂房新型钢一 混凝土组合结构受火性能 ， 通过 A D I N A仿真分析软件计算对该结构进行 了分析研究， 结果以实际指标表明随温度升高逐渐恶化， 结构承载力逐渐下降， 此研究为耐火设计提供了依据。 关键词： A D I N A； 仿真分析； 钢管混凝土组合柱； 受火性能 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 2 6 1 0 2 0 1 6 0 3 0 0 9 S i m u l a t i o n S t ud y on Fi r e Re s i s t a nc e o f A S t e e l Pi p e Co nc r e t e Co l um n ZHANG Ch e n g y e ( N o h w e s t E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o r e c h e c k t h e fi r e r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e o f n e w l y a p p l i e d s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e o f p o we r h o u s e o f a h y d r o p o w e r s t a t i o n，t h e s t r u c t ur e i s a n aly z e d an d s t u d i e d b y a p p l i c a t i o n o f ADI NA s i mu l a t i o n a n aly s i s s o f t wa r e T h e s t u d y s h o ws t h a t i t d e g r a d e s wi t h t e n pe r a t u r e ris i n g， t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e s t r u c t u r e d e c r e a s e s g r a d u a l l y T h i s s t u d y p r o v i d e s d e s i g n o f fi r e r e s i s t a n c e w i t h b asi s Ke y wo r d s ： A DI N A；s i mu l a t i o n a n aly s i s ；s t e e l p i pe - c o n c r e t e c o mp o s i t e c o l u mn ；fi r e r e s i s t an t p e rf o r man c e 近年来 ， 钢一 混凝 土组合结构具有 轻质 、 高强 、 施工便利等性能 ， 在工业厂房领域得到越来越广泛 的应用 。钢 一 混凝 土组合结构 有裸露 的受力钢 构 件 ， 因而该结构和钢结 构一样 ， 耐火 设计是重要 环 节 。目前耐火设计主要依赖经验 ， 缺乏量化 的分析 方法。本研究以大型有 限元程序 A D I N A作为分析 工具对某水 电站厂房钢管混凝土排架结构的受火情 况进行计算分析 ， 研究 了矩形钢管混凝 土柱 随外界 温度发生变化时温度场和温度应力 的变化规律和受 火性能， 为耐火设计提供 了量化依据。 l 计算 案例简介 本水 电站仿真计算选取厂房 2号主机间作为计 算单元 ， 长度为 l 9 4 m， 跨度为 2 4 1 m。 初拟钢管混凝 土柱等间距 布置， 吊车梁简支于 柱上 ， 柱体外侧 由钢板焊接而成 ， 内填 C 4 0 F 2 0 0 W4 ( 一级配 ) 混凝土 ，排架柱上 、 下柱体截面尺寸分别 为 1 1 BX 1 1 m、 1 8 mx 1 4 m， 长边 、 短 边钢 板厚 度 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 2 1 1 作者简介 ： 张承业 ( 1 9 8 2 一)， 男 ， 安徽省安 庆市人 ， 工程师 ， 主要 从事水 电站水工设计工作 分别为 1 6 m m、 2 2 mm。2号机组段厂房整体 三维有 限元 网格见 图 1 。 2 结构分析 本研究采用 A D I N A中 T MC热机耦合模块进行 瞬态热分析， 仿真计算 中排架柱 以及环境初始温度 定为 2 0 ， 分析了随着外界温度变化 ， 排架柱温度 图 1 2号机组段厂房整体三维有 限元网格图 西北水 电 2 0 1 6年 第 3期 3 5 场 、 应力及位移的变化情况 。 2 1 排架 柱温 度场 分 析 排架柱受火 3 h后 ， 取 单柱分 析 ， 选 取 3个截 图 2典型截面图 面 ， 典型截面位置见 图 2 ： 下柱柱 底面向上 3 0 c m处的横截 面( 截 面 1 ) ， 上柱柱底面向下 3 0 c m处 的横截面 ( 截 面 2 ) ， 上柱柱底 向 上 3 0 e m处的横截面( 截面 3 ) 。 选取 截面 3中关 键点 如 图 3 ， 1点位 于外包 钢管处 ， 2点 位 于距 1点 1 0 0 m m处 ， 3点位于距 1点 2 0 0 m m处 ， 相应关键点温升 曲线如图 4 ， 截面 1 、 截面 2、 截面 3的温度场如图 5 。 结果表 明整个受火过程 中， 钢管 温升幅度较大 ， 初期 0 5 h 左 右 的受火过程 中钢管 温升迅 速 ， 此后较为平缓。受火 3 h后 ， 钢管表面温 度达到最高温度 1 1 0 0 ， 接 近钢 的熔 点 ， 钢板 开始融化。混凝 土 由于导热 系数小 、 比热 大 ， 温升曲线 明显落后于外包钢管 ， 越是靠近内部 的 混凝土 ， 温升幅度越小 。靠近钢管 的混凝土温升 幅 图 3 截 面 3关键点示意 图 度较远离钢管的混凝 土温 升幅度 为大 ， 混凝土 由表 及里 2 0 0 m m范围内， 温度 变化剧烈 ， 梯度较大l 】 J 。 由图 5 ( a ) 、 ( b ) 中可 以看 出， 由于排 架柱 四周 定义 了相同的受火边界条 件 ， 受火边界对称 ， 因此截 面 1 、 截面 3温度分布呈单轴对称 ， 温度最低 区域位 于截面中心 ， 靠近外包钢管区域混凝土温度较高 ， 内 图 4 截面 3不 同关键 点温 升 曲线图 外温差较大。混凝土的低导热性能是导致截面内外 较大温差的主要原 因， 截 面尺寸也会 影响混凝土温 升 ， 截面尺寸越大 ， 混凝土吸热越多， 温升越小。截 面 2位于上柱柱底 附近 ， 截面较大 ， 除四周受火外 ， 还直接受到下柱柱顶受火面传来 的热量 ， 因此呈现 如图 5 ( c ) 所示温度分布特征 ， 但温度变化规律基本 一 致 ， 混凝土由表及里 ， 温升逐渐下降 ， 且下降较快 ， 温 差较 大 。 2 2 排 架柱 应 力分析 仿真计算模拟了受火 0 3、 0 5、 1 、 1 5、 3 h后排 架柱关键点 的应力 ， 应力关键 点位 置如图 6 。由于 排架柱由钢管和混凝土 2种材料组成 ， 因此 ， 应力分 析将分别介绍钢管和混凝土的应力规律。 计算结果显示 ： ( 1 )外 围混凝土 向应力基本 为压应力 ， 受火 1 5 h左右下柱底面长边 中点 出现最大压应力， 最大 压应力 5 2 3 MP a 左右 ， 下柱底面压应力较上柱底面 为大 ， 混凝土压应力随受火时间初期逐渐增大后期有 所减小 ， 后期主要是材料在高温下性质恶化所致。内 部混凝土 向应力为拉应力 ， 受火 1 5 h左右上柱底 面中心处出现最大拉应力， 最大拉应力0 9 3 MP a 左 右 。外包钢管上柱底面 向应力以拉应力为主 ， 受火 0 5 h左右上柱底面角点出现最大拉应力 ， 最大拉应 力 4 2 1 3 M P a左右， 下柱底面 向应力 以压应力 为 主， 受火 0 ： 5 h左右下柱底面长边 中点 出现最大压应 力 ， 最大压应力 5 6 4 5 MP a 左右。 ( 2 )外 围混凝土 y向应力基本为压应力 ， 受火 1 5 h左右下柱底 面短边 中点 出现最大压应力 ， 最 大压应力为5 3 3 MP a 左右 ， 混凝土压应力随受火时 间初期逐渐增大后期有所减小 。内部混凝 土 l ， 向 应力为拉应力 ， 受火 3 h左右上柱底面 中心处出现 最大拉应力 ， 最大拉应力为 0 5 1 MP a 左右。外包钢 管 l ， 向应力上柱底 面以受拉为主、 下柱底面 以受压 为主 ， 受火 3 h左右上柱底面角点出现最大拉应力 ， 最大拉应力为 3 9 8 5 MP a左右 ， 受火 3 h左 右下柱 底 面 短边 中 点 出现 最 大 压 应 力 ， 最 大 压 应 力 为 3 9 2 2 M P a左右。 ( 3 )外围混凝土 z向应力基本为压应力 ， 受火 1 h左右下柱 底面长边 中点 出现最 大压应 力 ， 最 大 压应力为4 9 7 MP a左右， 混凝土压应力随受火时间 初期逐渐增大后期有所减小 。内部混凝土 z向应 力 为拉应 力 ， 受火3 h 左右上 柱底面 中心处 出现最