火灾下玻化微珠保温混凝土柱耐火分析.pdf

2 0 1 4年 第 1 2期 (总 第 3 0 2期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 01 4( To t a 1 No 3 0 2) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 2 0 1 5 火灾下玻化微珠保温混凝土柱耐火分析 季海峰 ，李珠 。刘元珍 ( 太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 玻化微珠保温混凝土新形势下提出的一种新型建筑材料 ， 可以同时满足建筑保温和结构承重性能的要求 。 通过试 验， 对常温及 1 0 0 - 7 0 0 高温后玻化微珠保温混凝土导热系数进行比较， 在此基础上得出高温下玻化微珠保温混凝土导热系数推算计 算式 ， 为高温下玻化微珠保温混凝土热工性能研究提供理论依据。 运用 A N S Y S 对玻化微珠保温混凝土柱在三面受火的情况下进行 热分析， 得出此时柱截面及钢筋的温度分布规律， 为火灾后混凝土柱的检测与加固提供依据。 关键词 ： 玻化微珠保温混凝土柱；温度；火灾 ；非线性 中图分类号 ： T U 5 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 4 ) 1 2 0 0 5 6 0 4 An a l y s i s o f t h e r m a l i n s u l a t i o n gl a z e d h o l l o w b e a d c o n c r e t e c o l u m n s u n d e r f i r e J IHa i f e n g LI Zhu Li u Yu a n z he n ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d c i v i l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r ma l i n s u l a t i o n g l a z e d h o l l o w b e a d c o n c r e t e i s a n e w t y p e c o n s t r u c t i o n a l ma t e r i a l u n d e r t h e n e w s i t u a t i o n s ， wh i c h c a n s a t i s f y t he b ui l di n g i ns u l a t i o n a n d s t r uc t ur e be a r i n g pe r f o r ma n c e r e q u i r e me ms a t t he s a me t i me Th e t h e rm a l c o n d u c t i v i t y of g l aze d h ol l o w b e a d i n s ul a t i o n c o n c r e t e a t r o o m t e mp e r a t ur e a nd f r o m 1 0 0 t o 7 0 0 e l e v a t e d t e mp e r a t u r e a r e c o mp a r e d b y e x pe r i me n t On t he b a s i s o f a na l y s i s ， t h e c o mp u t a t i o n a l f o r mu l a o f the r ma l c o n d u c t i v i t y o f t he r ma l i ns u l a t i o n g l az e d h o l l o w be a d c o nc r e t e wa s c r e a t e d u nd e r h i g h t e mp e r a tur e s， wh i c h c a l l p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e rm a l p r o p e r t i e s para me t e r s o f the rm a l i n s ul a t i on g l az e d ho l l o w b e a d c on c r e t e Th e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t ware ANS YS wa s a p p l i e d t o t h e rm a l a n a l y s i s o f t h e rm a l i n s u l a t i o n g l a z e d h o l l o w b e a d c o n c r e t e c o l u mn s s u f - f e r e d t o fir e o n t h r e e s Nc e， a n d t h e t e mp e r a tur e d i s t r i b u t i o n i n t he c o l umn s e c t i o n a n d s t e e l we r e o b t a i n e d， wh i c h pr o v i de d r e l i a bl e r e f e r e nc e f o r d e t e c t i o n v a l ua t i o n a nd r e i nf or c e me n t d e s i g n o fb ui l d i n g a f t e r fir e Ke y w or ds： t h e rm a l i n s ul a t i on g l a z e d h o l l o w b e a d c o nc r e t e c o l u mn； t e mpe r a t u r e； fir e a c c i d e n t ； n o n l i n e a r 0 引言 火 灾是各种 灾害 中发生频 率最高 ， 并 且极具毁 害性 的灾害之一 。 火灾损失 统计表 明 ， 发生次数最 多 、 损失 最 严重 的当数建 筑火 灾 1 1 。 钢 筋混凝 土结 构依然 是我 国最 主要建筑结 构形式 之一 ， 钢筋混凝 土结构抗 火性能 的研 究也 成 为 建筑 结 构抗 火 性能 研 究 的重 要方 面 。 钢筋 混 凝 土柱 是 框架 结 构 的重 要构 件 ， 作为 结构 竖 向承重 构 件 ， 钢筋混 凝土柱 承受 整个框架结 构的全部 竖 向荷 载 以 及由于水平力引起的附加荷载。 在火灾作用下 。 一旦钢 筋混凝 土柱 丧失 承载力 ， 结 构就会 发 生局部 破坏 ， 甚 至 整体倒 坍 。 因此 ， 钢 筋混凝 土柱 抗火 性能 的研 究在结 构 防灾 减灾 系列研 究及 灾后 的鉴 定加 固具 有极 其重 要 的 意 义。 玻化微珠保温混凝土是集承重 、 保温性能于一体的新 型建筑材料翻 ， 具有轻质 、 高强 、 保温隔热性能良好等优点 。 目前 ， 玻化微珠保温混凝土现已经应用于山西省晋城的铭 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 6 1 0 基金项 目：教育部高等院校博士点基金资助( 2 O l 0 1 4 O 2 1 2 0 0 0 7 ) 56 基凤凰城 1 9 号楼 ， 该 示范楼 首次将玻 化微珠保温混凝 土 由试验室推入市场 ， 成功实现了玻化微 珠保温混凝土相关 研究成果的转 化p _ q ， 并 已通过竣工验 收。 本研究通过玻化 微珠保温混凝土的高温试验 ， 得出高温下玻化微珠保温混 凝土导热系数变化规律 。 运用 A NS YS对火灾下玻化微珠 保温混凝 土柱截面及钢筋温度场进行分析 ， 并与普通混凝 土柱温度场做 出对 比， 研究分析玻化微珠保温混凝土柱的 耐 火性能。 1 模 型的建立 运用 A NS Y S对玻化微珠 保温混凝土 柱在三面受 火 的情况下进行热分析 ， 在分析 中， 混凝土采用 S 0 L I D 7 0单 元 ， 钢筋采用 L I NK 3 3 单元 ， 模 型如图 l 所示 ： 1 1 模型 建立的基本假设 ( 1 ) 混凝土为各 向同性材料 ， 不同方 向导热系数相同； ( 2 ) 混凝土柱截面温度场分布沿柱轴线方向不变 ； ( 3 ) 火灾作用下钢筋与混凝土无相对滑移。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 混凝土柱有 限元模型 1 2 火灾 一温度 曲线的选取 火灾一 温度 曲线采用 国际标准组织制订 的标准升温曲 线 ， 其计算式 为： T = T o + 3 4 5 l g ( 8 t +1 ) ( 1 ) 式中 ： 火灾开始后 t mi n时的平均空气温度 ， ； 初始温度。 2 高温下材料 的热工性 能 2 1 高温下玻化微珠保 温混凝土热传导 系数 的测定 2 1 1 试验所用材料 ( 1 ) 玻化微珠 ： 采用太原某公司生产 的玻化微珠产 品 ， 其物理性能 为 ： 粒度 0 5 1 5 mm， 密 度 8 0 1 2 0 k g m ， 体积 漂浮率 8 0 ， 导热 系数 0 0 2 5 0 0 4 5 w ( m K) ， 体积 吸水 率 4 5 ， 耐火度 I 2 8 0 1 3 6 0， 表面玻化闭孔率 8 0 ， 1 MP a 压力 的体积损失率 3 8 - 4 6 。 ( 2 ) 水泥 ： 4 2 5级普通硅酸盐水泥。 ( 3 ) 砂 ： 堆 积密度 为 1 4 6 0 k g m 3 ， 细度模 数 2 4 ， 含泥 量 3 。 ( 4 ) 石子 ： 粒 径 5 1 2 1 T n T I ， 堆 积密度 1 6 3 0 k g m ， 含泥 量 0 5 。 ( 5 ) 外加剂 ： 选用本课题组 自配外加剂 。 2 1 2 试验设备 加温设备 ：采用太原理工大学建筑材料试验室 型号 为 S R J X 的箱式 电阻炉 ， 额定功率 1 5 k W， 最 高工 作温度为 1 2 0 0， 炉膛尺寸为 4 0 0 mmx 4 0 0 mm x 6 0 0 mm。 导热 系数测定 ：采 用某 公司生产 D R P 一 5 W 型导 热系 数测定仪 ， 其导热系数测定范 围为 0 0 l 1 0 w ( m K) 。 2 1 3 试验方法 本试 验：共制作 3 0 0 mmx 3 0 0 mmx 2 8 mm 导热系数测 定板 2 1 块 ， 分为 7 组 ， 将所有试件 在标准养护室养护 2 8 d 后 ， 继续 放置于干燥 、 通风环境 中养护 ， 直 至试件 中含水率 与实际建筑构件相近 ， 以防高温试验时混凝土试件发生爆 裂 。 分别测定温度为 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0 、 4 0 0 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0下 玻化微珠保温混凝土导热系数 ， 并与常温下玻化微珠保温 混凝土导热系数进行对 比。 2 1 4 试验结果及分析 按照上：述方法 ， 测得玻化微珠保温混凝土导热系数不 同温度下玻化微珠保温混凝土导热系数 ， 如图 2 所示。 由试验 结果可知 ， 随着温度 的升高 ， 玻化微珠保 温混 凝 土导热系数逐渐降低 。 当温度小于 1 0 0时 ， 温度 下降 圭 鼎 綦 图 2 高温下玻化微珠保温混凝土导热系数测定值 幅度较大 ， 这是 由于对 于确定配合 比的混凝土来说 ， 自由 水是影响其导热系数 的主要因素 ， 由于 自由水的蒸发导致 导热 系数迅 速降低 。 当温度超过 1 0 0后 ， 随着 玻化微珠 保温混凝 土中水分 的不断蒸发 ，试件 内部 的孔 隙不断增 多 ， 空气介 质侵入试件 内部 的孔隙和裂缝之 中， 试件 的导 热系数进一步降低 ， 但此时试件受 自由水的影响较小 ， 因而 当温度高于 1 0 0时试件 的导热系数下降幅度较 为平缓 。 通过对数值的拟合 ， 得 出导热系数与随温度变化的关系式 ： A c = 一 0 0 0 0 2 T + 0 4 3 6 9 ( 2 0 oC7 T 7 0 0 ) ( 2) 式 中： A 。 玻化微珠保温混凝土导热系数 ， ； 高温 ( 受火 ) 温度 ， 。 2 2 高温下玻化微珠保温混凝土比热 目前国内外 尚没有关 于高温下玻化微珠保温混凝 土 比热相关的计算式 ， 但现有研究表 明 ， 骨料 的变化对 混凝 土 比热影响较小 _7 J 。 在建立模型时 ， 采用 欧洲规范 给出的 普通混凝土比热 ： C o= 一 4 ( 厂 + 8 0 【 )+ 9 0 0( 2 O 7 1 1 2 0 0 )( 3 ) 式中 ： C c 混凝土高温下 的比热 ， J ( k g ) ； 外界温度 ， 。 2 3钢筋的导热 系数 高温下钢筋导热系数采用欧洲规范 8 1给 出的式 ( 4 ) ： _ 3 3 3 x 1 0 -2 5 4 ( 2 0 8 0 0 ) ， 、 A 2 7 3 ( 8 0 0 ) ( 4 ) 式中 ： A 高温下钢筋 的导热系数 ， W ( m K) ； 外界温度 ， 。 2 4高温下钢筋 的比热 高 温下 钢筋 的 比热 采 用欧 洲规 范 _ 8 _ 给 l叶 J 的建 议值 C 2 0 0 J ( k g 。 C) 。 3 玻化微珠保温混凝土柱截面温度场分析 通过 A NS Y S热分析模块 对玻化微珠保 温混凝 土进 行瞬态热分析 ， 荷载按 照标 准升温 曲线得 到的温度值 ， 初 始温度 为常 温 ， 设 置为 2 0。 在温度场求解过程 中 ， 时间 间隔设置为 3 0 0 S ， 中间任意时刻温度通过线性捕值得到。 通过以上模拟得到尺寸为 2 0 0 mm x 2 0 0 m m 玻化微珠保温 混凝土柱 0 5 、 1 、 2 h截面温度分布 ， 并与普通混凝 土柱 截 面温度分布进行对 比， 如图 3 所示 。 ( 1 ) 通过火灾下玻化微珠保温? 昆 凝土柱 与普通混凝 土 柱截面温度分布的对 比分析可知 ： 在 0 5 h时， 玻化微珠保 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 I 7 38 3 2 264 7 37 3 55 5 42 4 46 4 47 5 37 2 2 9 71 93 34 81 01 39 9 00 9 4 4 9 9l 8 50 08 26 ( a ) 玻化微珠保温混凝土柱钢筋0 5 h 温度场 NODAL S oLUTI oN STEP=3 SUB 】 5 TI M E=36 00 TE MP ( A VG1 SM N=63 4 50 6 S M X= l 4 4 5 71 63 45 06 8I 477 4 9 9 5 0 4】 1l 7 5 3I 1 35 55 8 7 2 4 6 4 9 0 4 9 0 7 】 0 8 5 1 7 1 2 6 5 4 4 l 4 4 5 7 1 ( c )玻 化微珠 保 温混凝 土柱钢 筋1 h 温度场 N0DAL SOI l TI ON S TEP =2 S UB：9 Tl ME=1 80 0 T E MP f A v G 1 RSYS =0 SMN=44 1 5 83 SMX=l 25 1 59 4 4 1 58 3 6 2 1 5 86 8 0 1 58 8 9 8 l 591 l 16 1 59 53 1 5 84 71 1 5 87 8 9 1 59 1 07 l 5 9 1 25 1 5 9 f b ) 盐通 混凝土 柱钢筋0 5 h 温度 场 NoDAL SoLUT1 ON STEP=3 SUB 】 5 Tl ME=36 00 T E MP( A V G ) RSYS=0 SMN= l 1 2 6l 8 SMX=2 65 62 1 2 61 8 l 4 6 6I 9 】 8O 61 9 2I 4 6 2 248 6 2 l 2 9 6 1 8 1 6 3 6 1 9 I 9 7 6 1 9 2 3 1 6 2 2 6 5 6 2 ) 普 通混凝 土柱钢 筋I h 温度场 l 6 6 6 6 8 2 0 0 4 4 2 3 4 2 1 1 2 6 7 9 8 3 3 0 1 7 5 5 2 7 5 3 0 4 3 1 9 3 2 7 3 6 3 3 5 I 4 0 7 3 7 4 4 5 1 3 9 8 1 8 3 5 5 4 2I 7 32 6 2 51 0 97 2 8 4 8 69 3l 8 64 29 7 31 6 3 41 33 9 3 85 36 3 42 9 3 86 4 73 40 9 ( e ) 玻化微珠保温混凝 柱钢筋2 h 温度场 ( f ) 普通混凝土柱钢筋2 h 温度场 图 4 玻 化微 珠保 温 混凝 土柱 与普通 混 凝土 柱钢 筋温 度 场云 图 应的强度分别下降 1 2 2 5 和 4 5 3 4 ， 此时玻化微珠保温 混凝土柱最高温度所对应 的钢筋 强度高于普通混凝土柱 最高温度所对应钢筋强度 的 6 0 ， 可见 ， 玻化微珠保温混 凝土能够很好的阻止外界热量 的入侵 ， 对高温下钢筋 的强 度起到很好的保护作用。 5结论 ( 1 ) 通过试验及理论分析得出： 玻化微珠保温混凝土 导热系数 随着温度的升高而呈现线性 降低 的趋势 ， 通过线 性拟合给 玻化微珠保温 混凝土 导热 系数随温度变化 的 公式 ， 可为高温下玻化微珠保温混凝 土结构导热性能 的研 究提供依据。 ( 2 ) 在火灾作用下 ， 由于玻化 微珠保温 昆 凝土导热系 数相对较低 ， 能够有效 的抵制外 界热量 的入侵 ， 延缓 内部 混凝土和钢筋温度的升高 ， 对 内部混凝土和钢筋的强度起 到很好 的保护作用 。 ( 3 ) 在火： 灾作用下 ， 虽 然玻化 微珠保 温混凝土较低 的 导热系数对构件材料的强度有很好的保护作用， 但同时在 柱截 面也形成 了较 大的温度梯度 ， 产生更大的温度应力 ， 这对玻化微珠保 温混凝土的抗拉强度有着更高 的要求 。 参考文献 ： 【 1 】路春林 ， 屈立军 ， 薛武平 ， 等 建筑结构耐火设计【 M 北京 ： 中国 建筑工业出版社 ， 1 9 9 5 2 刘元珍 ， 郑晓虹 ， 李珠 ， 等 玻化微珠承重保温混凝土抗冻性能 研究f J J 施工技术， 2 0 1 3 ( 9 ) ： 8 3 8 5 ， 1 0 5 3 】张泽平 ， 樊丽军 ， 李珠 ， 等 玻化微珠保温混凝土初探 J 1 _ 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 4 6 4 8 4 张泽平玻化微珠保温混凝土及其结构的基本性能试验与理论 分析研究 D 1 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 9 【 5 杨卓强， 刘元珍 ， 郑晓红 ， 等 玻化微珠保温混凝土泵送技术研 究与应用 J 1 施工技术， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 2 3 2 5 ， 3 0 6 乔稳超 ， 刘元珍 玻化微 珠承重保温 混凝土抗渗性 的试验研 究l J 1 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 4 6 4 9 【 7 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土的高温性能及其计算 M1 - E 京 ： 清 华大学出版社 ， 2 0 0 3 【 8 E u r o p e a n C o mmi t t e e f o r S t a n d a r d i z a t i o n E u r o c o d e for D e s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e s J B r i t i s h S t a n d a r d s I n s t i t u t i o n ， 1 9 9 5 ( 7 ) 作者简介 ： 季海峰( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事结构 工程 研究。 联系地址： 山西省太原市迎泽西大街 7 9号 太原理工大学建筑 与土木工程学院( 0 3 0 0 2 4 ) 联 系电话 ： 1 3 5 4 6 7 2 4 8 6 2 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m