薄壁型钢-混凝土梁-柱节点温度场数值分析.pdf

中国科技核心期刊 新 癯 建魄 薄壁型钢一 混凝土梁一 柱节点 温度=l[罚 数值分析 王传奇 ， 刘小东 ， 高轩能 ( 1 ． 孟菲斯大学 土木工程系， 美国田纳西 孟菲斯3 8 1 5 2 ； 2 ． 江苏筑森建筑设计有限公司， 江苏 常州2 1 3 0 0 0 ； 3 ． 华侨大学 土木工程学院， 福建 泉州3 6 2 0 2 1 ) 摘要： 利用有限元数值模拟软件A N S Y S 对一种新型的薄壁型钢一 混凝土梁一 柱节点构件在高温火灾条件下的截面温度场变化 进行了数值模拟分析， 并对节点内部不同位置的温度变化， 以及温度场的影响因素进行了参数化分析。结果表明， 钢板厚度和构件 截面尺寸对温度场影响可以忽略不计， 防火保护层对构件的温度场影响显著， 填充混凝土在高温初期对温度场有有利影响， 1 h以 后影响显著降低 。 关键 词： 薄壁； 组合结构； 梁一 柱节点； 高温火灾条件下； 温度场； 有限元 中图分类号： T Ul 1 1 ． 2 1 文献标识码： B 文章编号 ： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 9 — 0 0 8 2 — 0 3 N u me r i c a l a n a l y s e s o f t e mp e r a t u r e fi e l d o f t h i n - wa l l e d s t e e l - c o n c r e t e b e a m- c o l u mn j o i n t WA NG C h u a n q i ~ , L I U Xi a o d o n g 2 ， GA 0 Xu a n n e ， ( 1 ．Ci v i l En g i n e e rin g De p a r t me n t ， Th e Un i v e r s i t y o f Me mp h i s ， Me mp h i s 3 81 5 2， T e nn e s s e e ， U．S． ： 2 ．J i a n g s u C e n t u r y Ar c h i t e c t u r e De s i g n C o ．L t d． ， Ch a n g z h o u 21 3 0 0 0， J i a n g s u ， Ch i na ： 3 ． C i v i l E n g i n e e ri n g C o l l e g e ， H u a q i a o U n i v e r s i t y ， Q u a n z h o u 3 6 2 0 2 1 ， F n j i a n ， C h i n a ) 0 引言 薄壁型钢一 混凝土梁一 柱节点是一种新型结构的构件， 国 内外对其耐火性能及抗火设计方法的研究尚不成熟， 在这种 情况下， 如果按照钢构件进行耐火保护， 很有可能造成资源 浪费， 而且对其耐火度的确定缺乏必要的科学认识[ 。火灾 条件下的结构构件不仅受到静力荷载的作用， 还要受到温度 荷载的作用。高温不仅使材料的强度和变形性能严重劣化， 还使得结构产生剧烈的内( 应) 力重分布， 并且温度和荷载 ( 应力) 有显著的耦合作用效应， 使材料的本构关系和构件受 力性能随温度一 荷载途径而有较大变化[5 - 7 ] 。为深入了解高温 下薄壁型钢一 混凝土组合结构梁一 柱节点的强度和变形的变 化规律， 首先必须分析梁一 柱节点构件的截面温度场。 组合柱截面 图 1 薄壁型钢一 混凝土梁一 柱组合节点构造 构件设计： 柱的截面尺寸为3 0 0 m m x 3 0 0 m m ， 梁的截面 尺寸为2 5 0 m m x l 5 0 m m ， 柱上下各取6 0 0 m m ； 梁两边从对称 轴算起各取 1 0 0 0 m m ； 钢板厚度 3 m m， 钢材都采用 Q 2 3 5 ， 内 部填充C 3 5 混凝土。 l 节点有限元模型 2 温度场数值模拟 薄壁型钢一 混凝土 梁一 柱节点以 及梁 柱截面见图1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 3 — 1 2 ； 修 订 日期 ： 2 0 1 3 — 0 4 — 2 8 作者简介： 王传奇， 男， 1 9 8 4 年生， 安徽蚌埠人， 博士研究生， 主要从事 钢结构和组合结构及新型土工泡沫材料的研究。E - m a i l ： w a n g e q 3 1 2 1 @h o t ma i l ．e o m 。 8 2 新型建筑材料 2 0 1 3 ． 9 外界环境温度按I S 0 8 3 4标准升温曲线变化嘲 ， 没有防火 保护层。构件单元网格划分见图2 ( 考虑到结构的对称性， 为 了 减小 运算时间， 计算只采用1 ／ 2 模型， 柱的另一侧施加对称 约束) 。 组合节点在高 温环 境中1 8 0 ra i n 后 构件截面温度场云 图见图3 。 面 二 ， 截 ．h ● L 雠 华 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王传奇， 等： 薄壁型钢一 混凝土梁一 柱节点温度场数值分析 图 2 计算温度场采用的有限元网格 图 3 组合节点 1 8 0m i n时温度 场云图 由图3 可知， 对于四面受火的柱截面， 外边缘等温线与截 面形状近似， 向截面内部开始退化， 大致均呈椭圆形。由于截 面外边缘靠近高温气流， 温度梯度变化较大， 温度差变化大， 随着向构件截面内深入， 温度梯度变化平缓， 温度差变化也减 小。 截面四角温度高于边长中心的温度， 因此截面四角会产生 较大的温度应力集中。核心混凝土的温度在截面中心温度最 低， 沿径向由中 心向 边缘 温度越来 越高， 在混凝土柱外壁与钢 管接触的地方温度最高。 钢管由于壁很薄， 受火时温度沿截面 基本均匀分布， 温度梯度不大， 同时钢管的温度要远远高于核 心混凝土， 这是由于混凝土的导热性能较差， 导热系数约为钢 管导热系数的 1 ／ 5 0 。和四面受火的柱比较， 考虑到实际工程 中混凝土楼板的隔热作用，梁截面相当于处于三面受火的状 态。 如图3 中的温度云图可以看出， 三面火灾作用下截面温度 不具有双轴对称性， 为单轴对称， 且受火面温度较高， 背火面 温度较低， 温度最低区域偏向于背火面， 并且最低温度中心位 置也向背火面偏移， 可以推断， 温度场的偏移必然形成非对称 的 温度应力分 布， 由 此梁在受火后可能形成附加的偏心荷载。 3 节点区域典型位置的温度一 时间分析 为了对各时刻组合节点内部的温度场做进～步分析， 选 取节点 域内a ， b ， C ， d ， e 和f 等6 个典型 位置( 见图4 ) 。 组合节 点构件无保护层情况下各个典型位置的温度一 时问曲线， 分 别见图5 、 图5 。 — —V一 温 度 计 算 点 联 I f e 彳 L I 卜 图4 组合节点典型位置温度计算点位置( mm ) 赠 1 1 p 赠 0 1 8 0 0 3 6 0 0 5 4 0 0 7 2 0 0 9 0 0 0 1 0 8 0 0 时 间／ s 图 5 柱截面典型位置温度一 时间曲线 图6 粱截面典型位置温度一 时间曲线 由图5 和图6 可知， 在火灾开始阶段， 薄壁型钢混凝土构 件内 部混 凝土的 温度变化较为平缓， 一段时间 之后变化较为 剧烈， 钢管与核心混凝土的温差较大， 这与混凝土的吸热多少 有一定关系。 从混凝土与钢管的温度时间变化曲线对比可见， 钢管混凝土柱外表皮钢管温度随时间的延长升高较快，增长 趋势与升温曲线趋势大致相同，而混凝土内部的温度则随时 间的延长变化缓慢。这主要是因为钢材的导热系数较大且随 温度的变化不大， 而混凝土的导热 系数小且随温度的升高而 降低， 单位时间内混凝土吸收的热量也逐渐减少。 4 温度场影响因素分析 因为 冷弯薄壁型 钢一 混凝土梁 一 柱节点 所承受的 大部分的 NE W BUI L DI NG MAT ER I AL S 8 3 瑚 咖 啪 湖 咖 跏 伽 姗 啪 o 咖 咖 啪 咖 | ； 蜘 姗 卿 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王传奇， 等： 薄壁型钢一 混凝土梁一 柱节点温度场数值分析 弯矩和剪力都是通过钢板传递，因此选取薄钢板内部测点C 的 温度作为一个参考点来讨论各种影响因素对节点温度的影响。 4 ． 1 钢板厚度 对于冷弯薄壁型钢一 混凝土组合节点结构，由于钢板厚 度d 很小， 而钢的导热性能又非常好， 因此钢板厚度d 对构件 的温度场分布影响非常小， 常常可以忽略。 4 ． 2 截面尺寸 从理论上说， 截面尺寸肯定对构件升温有影响， 构件截面 尺寸大， 填充混凝土的体积也大， 混凝土相应的吸热作用也比 较大， 所以钢板的升温较慢。但在图7中可以看到， 分别取柱 边长为3 0 0 m m和边长为6 0 0 m m的构件进行温度场分析， 薄 壁钢板的升温几乎没有受影响，这可能对于厚度为3 m m钢 板而言导热性能非常好，内部混凝土吸热能力有限的增大对 钢板的升温影响几乎可以忽略。 。 0 7 0 0 赠 器0 器0 0 0 1 8 0 0 3 6 0 0 5 4 0 0 7 2 0 0 9 0 0 0 1 0 8 0 0 时 间／ s 图7 构件截面尺寸对薄壁钢板升温的影响 4 ． 3 保护层厚度 保护层对结构的升温影响是巨大的， 对钢结构来说， 若没 有防 火保护层保护， 根本达不到 建筑防 火要求。 采用同 一种保 护层材料时， 保护层厚度越大， 构件升温越慢， 在图8 中可以 清楚看到， 薄壁型钢一 混凝土构件在没有保护层的情况下， 薄壁 钢板构件在2 0 m i n 左右就达到了6 0 0 ℃，而分别涂有 1 0 m m 和2 0 m m保护层的构件达到这一温度的时间分别是 1 ． 0 h 和 1 ． 5 h 。本文选用厚涂型钢结构防火材料， 涂料的基本参数为： 导热系数A = 0 ． 1 W／ ( m K ) ， 比热容 C = I ．0 4 7 x 1 0 3 J ／ ( k g K ) ， 密 度y = ( 4 0 0 + 2 0 ) k g ／ m 。 0 1 8 0 0 3 6 0 0 5 4 0 0 7 2 O 0 9 0 0 0 1 0 8 o o 时间／ s 图 8 保护层厚度对薄壁钢板升温的影响 8 4 新型建筑材料 2 0 1 3 ． 9 4 ． 4 填充混凝土的影响 混凝土导热性能较差， 当混凝土受热时， 由于混凝土内部 的水分蒸发需要吸收热量，从而可以降低钢构件的升温速度， 因此， 填充混凝土对薄壁构件的抗火作用是有利的。 从图9中 可以看到， 在构件受火升温的前期， 和纯钢结构相比， 组合构件 内部的混凝土吸热降温作用很明显， 但在火灾环境下 1 h以后 这种作用就几乎丧失， 这是因为接近薄壁钢板的混凝土内 部的 水分已经完全蒸发， 已 不再能起到为钢板降 温的保护作用。 1 l O O 1 0 0 0 9 0 0 8 00 7 0 0 嚣 6。 。0 0 赠 4 0 0 3 0 0 2 00 1 O 0 0 0 1 8 0 0 3 6 0 0 5 4 0 0 7 2 0 0 9 0 0 0 1 0 8 0 0 时间／ s 图 9 填充混凝土对薄壁钢板升温的影响 5 结论 本文采用在空间上运用有限元与在时间上运用有限差分 相结合的方法，编制了A N S Y S 热分析程序，得到了薄壁型 钢一 混凝土梁一 柱节点的温度场分布， 并对其影响因素做了分 析， 得到以下结论： ( 1 ) 在火灾的开始阶段， 薄壁型钢一 混凝土构件内部混凝 土的温度变化较为平缓， 一段时间之后变化较为剧烈， 钢管与 核心混凝土的温差较大。 ( 2 ) 钢管混凝土柱外表皮钢管温度随时间的延长升温较 快， 增长趋势与升温曲线大致相同， 而混凝土内部的温度则随 时间的延长变化缓慢。 ( 3 ) 钢板厚度和构件截面尺寸对温度场影响可以忽略不 计， 防火保护层对温度场影响显著， 填充混凝土在高温初期对 温度场有有利影响， 1 h 以后影响显著降低。 参考文献： [ 1 】 霍静思， 韩林海． 钢管混凝土柱一 钢梁节点力学性能分析叨． 计算 力学学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ： 3 5 — 4 0 ． [ 2 ]2 D a S i l v a L S ， S a n t i a g o A， D a v i d M． B e h a v i o u r o f s t e e l j o i n t s u n — d e r fi r e l o a d i n g [ C ] ／ ／ P roc e e d i n g s o f t h e T h i r d I n t e rna t i o n a l C o n - f e r e n c e o n S t e e l ＆Co mp o s i t e S t r u c t u r e s ． S e o u l ， Ko r e a 2 0 0 4： 1 2 4 5 —1 2 67 ． [ 3 ] 王传奇， 高轩能． 钢结构半刚性连接节点的应用【 J ] ． 新型建筑材 料， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 8 3 — 8 6 ． ( 下转第 8 7页) ㈣ 瑚 啪 垂 ； 枷 | 三 瑚 m o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邹钺， 等： 一种新型墙体热x - ~ ,l 试系统的研究 目 邑 、、 蟋 罩 墨墨量墨最墨罨墨墨墨 景景景景搴景景景景景搴景暴景景 g 兽 害 = = = 罱 罟 誉 蓦 = = 时间 图 4 2 2 5 mm厚加气混凝土砌块砖墙测试数据 由图集 1 0 J 1 2 1 (汐} 墙外保温建筑构造》 圈 和I S O 9 8 6 9 ： 1 9 9 4 《 绝热建筑构件 现场测量热阻 和传热系数 》 嘲 计算出 被测2 2 5 m m厚加气混凝土砌块砖墙传热系数的理论值为 1 ． 3 5 7 W／ ( m K ) ， 用新系统测得的墙体传热系数为 1 ． 2 6 19 ( m K ) ， 测量值与理论计算值的偏差为7 ． 1 ％。 2 ．2 ．2 2 3 0 m m厚度墙体的测试 图5 为2 3 0 m m厚剪力墙的部分测试数据，墙外侧平均 温度为4 4 ． 3℃，墙内侧温度为 2 9 ． 5 ℃，通过墙体的热流为 2 1 ． 6 W／ m ， 计算得出墙体的传热系数为1 ． 4 6 W／ ( m 2 K ) 。 被测 墙体传热系数理论计算值为1 ． 5 9 W ／ ( m z K ) 。测量得出墙体的 传热系数为1 ．4 6 ( m K ) ， 计算值与理论值的偏差为8 ． 2 ％。 ◆墙外侧温度 墙 内侧温 度 5 0 ． 0 4 0 ． O p 3 0 ． 0 赠 2 O ． 0 1 0 ． O O 图 5 2 3 0m m厚剪力墙测试数据 根据民用建筑节能检测标准，现场检测精度需控制在 1 0 ％之内。 通过2 2 5 m m和2 3 0 m m厚度的2 种墙体测试结果 可知，新型测试系统对墙体的传热系数的测量值与理论值的 误差均小于 1 0 ％。 3 结论 ( 1 ) 新型测试系统的加热装置能够使待测材料或墙体的 两侧温差达到 1 5℃以上， 满足温差大于 l O ℃的测试要求， 使 新测试系统适合全季节测量。 ( 2 ) 新系统的现场检测精度在 1 0 ％以内， 满足民用建筑 节能检测标准要求： ( 3 ) 通过现场检测， 验证了此系统的可行性与准确性。 ( 4 ) 新系统还 存在 一些不足的 地方， 如凹凸 不平的 表面存 在加热困难， 还需对大量不同材料或墙体进行现场测试， 以进 一 步对新型测试系统的测试技术作不断改进与完善。 参考文献： 【 1 ] 钱美丽． 建筑 物外 围护结 构保 温性能现场检 测方法[ J ] ． 房材与 应 用 ， 2 0 0 0( 1 ) ： 3 0 — 3 1 ． [ 2 】 朱传晟． 建筑节能现场检测技术初探[ J 】 _建筑节能， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 4 3 — 4 4． [ 3 】 田斌守． 建筑节能现场检测围护结构传热系数的讨论[ J ] ． 建筑节 能， 2 0 0 3( 1 1 ) ： 4 2 — 4 4 ． 【 4 ] 杨永恒， 田斌守． 建筑物围护结构传热系数现场检测的一点讨论 [J ] ． 建筑节能， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 3 6 — 3 7 ． [ 5 】 王珍吾， 孟庆林， 张百庆， 等． 双面热流计法现场测墙体构造热阻 [J 】 ． 建筑节能， 2 0 0 4( 9 ) ： 3 8 — 4 0 【 6 ] I S O 9 8 6 9 ： 1 9 9 4 ( E ) ． T h e r ma l i n s u l a t i o n — B u i l d i n g e l e m e n t s --I n - s i t u me a s u r e me n t o f d 1 e r ma l r e s i s t a n c e a n d t h e r ma l t r a n s mi t — t a n c e [ S ] ． A ( 上接第 8 4页) 【 4 】 D i n g J ， Wa n g Y C ． E x p e r i me n t a l s t u d y o f s t r u c t u r a l fi r e b e h a v i o r o f s t e e l b e a m t o c o n c r e t e fi l l e d t u bu l a r c o l umn a s s e mb l i e s wi t h D i f f e r e n t t y p e s o f j o i n t s [ J 】 ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 9( 1 2 ) ： 3 48 5 - 3 5 0 2 ． 【 5 】 Han L i n — Ha i ， Hu o J i u g - S i ， Wa n g Y o n g - C h a n g ． B e h a v i o r o f s t e e l b e a n l t o c o n c r e t e — fil l e d s t e e 】t u bU l a r c 0 l u mn c 0 n n e e t i o n s a f t e r e x p o s u r e t o f i r e【 J ] ．J o u rnal o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 1 3 3 ( 6 ) ： 8 0 0 — 8 1 4 ． [ 6 ]6 李国强， 韩林海， 楼国彪， 等． 钢结构及钢一 混凝土组合结构抗火 设计【 M ] ．北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 ． 【 7 ] 王传奇． 薄壁型钢一 混凝土梁一 柱节点抗火性能研究【 D 】 ． 泉州： 华 侨大学， 2 0 0 9 ． [ 8 】 G B J 5 0 0 1 6 --2 0 1 1 ， 建筑设计防火规范【 s 】 ． A NE W BUI L DI NG MAT E RI AL S 8 7 一 ＼ 邑＼ 蜡崧 0 O O 0 0 的 们 ∞ 加 0 卜 ∞ 1 0 0_ 0 卜 ∞_ 0 0I g 0 卜 ∞ ． 0 0 0 卜 ￡ ： 0 0_ z 卜 ￡ = 0 0 _【 卜 ∞ ． 0 0 ．【 司 高 ． 0 01 0 H 日 卜 ∞ _ o 0． g 0 卜 ∞ - 0 0_ z 0 0 0 卜 ∽ _ 0 0． 8 ．【 h ∞ ． 0 0 _【 ∞_ o 0 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m