火灾作用下钢筋混凝土梁温度场的有限元分析.pdf

2 0 1 2年第 1期( 总 1 8 2期 ) 安徽建筑 计 算 机 技 术 与 应 用 安 徽 建 筑 冒 火灾作用下钢筋混凝土梁温度场的有限元分析 Th e Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o n Te mp e r a t u r e F ie l d o f Re i n f o r c e Co n c r e t e Be a m u n d e r Fi r e 刘焕磊， 李新 ， 李堂飞 ( 山东科技大学研究生教育学院 ， 山东青岛2 6 6 5 9 0 ) 摘 要 ： 以 A B A Qu s 有限元分析软件为平台， 建立了钢筋混凝土梁 有限元模型 ， 对其 梁截 面的进行 了温度场 分析 。通过从 三面受 火及 四 面受火条件两个方面对钢筋混凝土 梁进行 了非线性数值 分析 ， 研究表 明四面 火灾条件 下梁截 面温度场呈现 双轴 对称性 ， 而三面 火灾下 梁截 面的温度场仅是 单轴对称。 关键词 ： 钢筋混凝土； 温度场； 火灾； 热传导 中图分 类号： T U7 5 6 4 + 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 2 0 6 0 2 1 概述 在建筑工程中，钢筋混凝土梁是应用最为广泛的构件形 式之一， 火灾的发生可使梁迅速失去承载能力 ， 给生命财产安 全带来很大的危害。 过去的几十年里对于常温和高温下结构安 全性的关注度一直在增长。在各种类型的结构荷载下， 钢筋混 凝土结构都可能暴露在高温下。 由于问题的复杂性和影响力学 性能的参数众多， 火灾条件下结构的力学性能理论仍然没有得 到充分的发展。 在火灾下钢管混凝土结构耐火性能的预测对于 结构设计是很重要的。因此 ， 对于结 构的防火 安全来说 结构在 火灾下的力学性能分析是结构设计的一个重要组成部分。 另一 方面， 基于标准火灾的实验具有操作和经济上的限制。 因此， 很 多基于有限元方法的数值模型已经被使用去尝试解决这个问 题。 对于钢筋混凝土构件 ， 其所有的热工参数都随时间变化， 因 此计算是一个动态过程， 非常复杂。本文将对钢筋混凝土梁在 i面受火和四面受火条件下进行温度场分析。 2 温度场有 限元模型的建立 2 1基本原理 2 1 1 热传导方程 在火灾作用下，钢筋和混凝土的热工参数常常是温度函 数， 因此火灾作用下钢筋混凝土梁的热传导是一个非线性的瞬 态问题， 其热传导微分方程遵循傅里叶定律， 如下公式： pc O T 一 ( + 等+ ) ( 1 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 1 0 7 作者简介： 刘焕磊( 1 9 8 6 - ) ， 男， 山东青岛人， 山东科技大学在读硕士 研 究方向： 结构设计理论与应用。 式中， c 一 比热( k J k g o C) 卜 温度 ( ) 卜 时 间( ) J 一 导热系数， m ) p 一容重( k J m ) 2 1 2初始条件 钢筋混凝土构件在火灾前一般都处于环境温度下 ，在初 始瞬时系统内部的温度分布等于环境温度 ， 如下公式： r ( x ， y , z ， t = O ) = T o ( 2 ) 2 1 3边界条件 在火灾条件下，钢筋混凝土梁的受火面采用第三类边界 条件， 非受火面采用第一类边界条件。钢筋混凝土梁受火面与 环境温度之间通过热对流和辐射传热， 其边界条件为： = -( 弓) + 8 0 ( T + 2 7 3 ) 4 _ ( T f l - 2 7 3 ) 4 ( 3 ) 式中， 一构件表面法线向量 。 对流传热系数， 取 2 5 W mz 火焰温度( ) 综合辐射系数， 取 0 5 c r _ S t e 一 B o h z ma n n常数， 取 5 6 7 X l 0 w， m K 2 _ 2升温 曲线 真实的火灾比较复杂， 难以用简单的数学模型进行描述 ， 目前采用最多的是国标标准化协会组织制定的 I S O 一 8 3 4标准 升温曲线， 其数学表达式如下： T = T o + 3 4 5 1 o g l 0 ( 8 t + 1 ) ( 4 ) 2 3材料热工参数 2 3 1 混凝土导热系数 采用欧洲规范建议的高温下混凝土热传导系数计算公 式 ： 2 1 -6 - 0 16 击+ 0 0 8 【 击 ) m ( 5 ) 2 3 2 混凝土比热： f 1 2 c = 9 0 0 + 8 0 击+ 4 ( 击 )fl (k g oc ) ( 6 ) 2 4其他参数设置 设定环境温度和梁各个节点的初始温度为 2 0 ，并按照 I S O 一 8 3 4标准升温曲线进行升温加载。钢筋混凝土梁周围按照 虽