高温下钢筋混凝土热-结构耦合模拟

沈晴晴，罗迎社，向绿林（.中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南长沙 40004；.福建林业职业技术学院，福建南平 353000）



高温下钢筋混凝土热-结构耦合模拟

沈晴晴1，罗迎社1，向绿林2
（1.中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南长沙 410004；2.福建林业职业技术学院，福建南平 353000）

摘 要：随着钢筋混凝土结构的广泛应用，火灾导致结构破坏的事故频有发生，因此对混凝土抗火性能的研究愈加重要。本研究在足尺门框结构火灾模型试验的基础上，对于以前所采用的单个梁和单个柱的模拟方法提出了改进，运用大型有限元分析软件ANSYS参照试验进行了足尺门框构件的热-结构耦合模拟分析，并将得出的计算结果与试验值进行对比验证，计算值与试验值吻合良好，说明本研究所采用的方法是可行的，为钢筋混凝土结构抗火性能的研究及设计提供了有效参考。

关键词：足尺门框；热-结构耦合；数值分析；温度场；变形

0 引言

火灾给人类带来了极大的危害，是我国目前造成人员伤亡数仅次于矿难的灾难。火灾的发生频率高，时空跨度大，造成的损失与危害触目惊心。近年来，我国因火灾造成的直接财产损失每年都达十几亿元，死亡二、三千人，火灾严重威胁着人民群众的生命财产安全［1］。胡玉娟统计并分析2008—2012年福建省电气火灾相关数据，研究了福建省电气火灾的特点及规律，并提出了相应的防治对策［2］。张翔通过研究物联网技术，为火灾自动报警系统的设计和发展提供参考［3］。张思玉对森林火灾危害程度评价指标并得出的相关结论，对森林火灾的预防提供了参考［4］。

梁、柱是钢筋混凝土框架结构的重要组成构件，其在火灾条件下的抗火性能将直接影响到结构的稳定性进而危及生命财产安全。目前国内外已有很多有关钢筋混凝土构件高温下力学性能的试验及数值模拟研究。原冶金部建筑科学研究总院、清华大学、同济大学等机构在20世纪80年代中后期开始进行了混凝土的材性［5-6］、构件［7］和结构［8-9］的受火性能及反应研究。四川消防科学研究所编制了火灾温度作用下钢筋混凝土梁、板、柱温度场计算系统软件程序，并开发了相应的适用于火灾结构烧伤鉴定的计算系统软件［10-11］。积分比值法计算室内火灾烟气层分界面高度值也为火灾的理论计算提供了参考［12］。但是，目前火灾反应模拟仿真计算还仅停留在构件层次上，对于整体结构体系以及考虑构件间相互作用的仿真计算，尚需开展大量研究工作。

本课题首次提出足尺门框整体结构，通过建立有限元分析模型，针对同一温度条件下，不同静力荷载条件下编制三组非线性分析程序，得到相应的温度场和受力性能曲线，并与已有的试验结果进行对比，分析了火烧荷载对结构的受力性能的影响。

1 热-结构耦合分析的有限元模型

1. 1 热-结构耦合场

为了准确模拟火灾条件下构件的温度场与受力性能，必须考虑到材料的热工性能以及热边界条件随时间的变化情况［13］，即对受火构件进行瞬态非线性分析。因此，本研究采用耦合场的顺序耦合法，即先对结构进行温度场分析，再将求得的温度场结果以体积荷载的形式导入到结构的静力分析中，以此来实现结构的热-结构耦合分析。在对结构进行热分析时，混凝土选用SOLID70单元，钢筋选用LINK33单元；在进行结构静力分析时，混凝土和钢筋分别选用SOLID45单元和LINK8单元［14］。

1. 2 热分析理论及基本假定

热分析遵循能量守恒定律，对一个封闭的系统（没有质量的流入和流出）［15］：

Q- W =ΔU +ΔKE +ΔPE（1）式中：Q为热量；W为作功；ΔU为系统内能；ΔKE为系统动能；ΔPE为系统势能。

假设本研究模拟的足尺门框结构为连续的、各向同性的，无内部热源的三维温度场问题，选用综合换热系数，传热方式按对流换热来考虑。本研究所采用的升温曲线近似参考国际标准ISO-834升温曲线T = T0+345lg（8t +1）T0，T0为初始温度（℃），t为时间（min）［14］。

热对流用牛顿冷却方程来描述：

q″= h（TS- TB）（2）式中：h为对流换热系数；TS为固体表面的温度；TB为周围流体的温度。

构件内部主要以热传导方式传递热量，遵循热传导的基本定律，即傅里叶定律。其热传导的关系式为：

式中：Q为t时间内的传热量或热流量；K为热传导率或热传导系数；T为温度，A为平面面积；d为两平面之间的距离。

应用有限元分析软件ANSYS进行非线性分析，分析时做如下假定：

（1）假定混凝土为各向同性材料，各方向热传导系数相同；

（2）考虑到火灾时明火直接作用在构件表面，对火场边界取为第一类边界条件［16］；

（3）不考虑混凝土开裂或表层脱落后引起的内力重分布［13］；

（4）由于钢筋体积较小，不考虑钢筋体积对构件温度场的影响。

2 程序分析及计算结果

2. 1 温度场分布云图分析

按照所选取的钢筋和混凝土的热工性能和材料特性（如表1所示）［17］，依据上述理论，建立有限元模型，经过热力学计算，得到40min、80min和120min的整体温度场分布云图如图1，图2，图3所示。由图中可以看出，构件受火至40min左右时，最高温度已达到533. 809℃，而由40min至80min，最高温度由533. 833℃升至621. 681℃；再由80min至120min过程中，最高温度由621. 681℃升至632. 76℃。说明加热前期温度升高速率较快，而到中后期，升温速率明显降低至趋于不变。通过对比图1、图2和图3，不难发现，梁上表面温度分布不均匀，梁柱交接处温度较低，虽然本研究模拟为柱底均匀受火，但构件温度分布左右不对称。

表1　材料的热工参数Tab. 1 The thermal parameters of materials

2. 2 升温曲线分析

由左侧柱表面柱底、柱中和梁顶选取三点作时间-温度升温曲线，如图4所示。由图可知，柱底点在受火前期即30min以内温度梯度变化较明显，而从30min开始至后期，升温缓慢并趋于稳定，与国际标准升温曲线基本吻合。而柱中点和梁顶点不直接受火，主要是受到热传递和对流的作用，模拟所采用的是综合换热系数，这两点温度梯度基本保持不变，升温曲线接近斜直线，基本呈线性分布。而柱底点在加热完成后所能达到的最高温度也比柱中点和梁顶点要高得多，柱中点最高温度比梁顶点稍微大些，说明热传递对柱温度的影响要比对流的作用强。

2. 3 内力与变形分析

通过热-结构耦合分析，得到足尺门框结构施加静力荷载为21kN时的位移变形图如图5所示。并将数值模拟中挠度的计算结果与试验结果进行对比，如表1所示。由图5可以看出，构件在受到静力荷载和高温共同作用时，产生了较为明显的变形。其中，梁的变形主要发生在距梁左端1/3处至2/3之间，柱的变形主要在柱中位置，梁变形明显比柱变形大得多，说明梁主要承受了静力荷载的作用。梁的两侧和两端柱底变形最小，整体看来，梁的变形要比柱的变形大得多。可见，与高温相比，静力荷载对变形的影响要大于温度荷载。

3 试验研究

本课题做了相应的物理实验验证数值模拟结果的准确性。试验在中南大学铁道校区防灾科学与安全技术研究所实验室的火灾炉内进行，试验共制作11个钢筋混凝土框架试件，其中9个试件均为高温试验，1个为常温试验，剩余一个备用［18］。图6为加载方式。混凝土采用42. 5普通硅酸盐水泥，其配比为水泥∶水∶砂∶石子= 1∶0. 617∶2. 257∶4. 127。梁柱截面尺寸和配筋率如图7所示。试验方式为对试件施加静力荷载后放入火灾炉加热。升温曲线采用ISO834标准升温曲线，达到预定温度后；恒温保持至120min，采用3种不同温度水平和3种不同荷载水平进行试验。图8、图9分别为600℃火烧后试件局部和整体表面特征图。由图7可以看出，600℃火烧后梁柱交接处有明显裂缝，由图8可以看出600℃火烧试验后试件表面出现暗红色。试验后取600℃水平下3个试件数值模拟跨中挠度与试验结果进行对比如表2所示，由表2对比可知，计算结果与实际结果误差不大，基本吻合，说明本研究所采用的数值分析方法和理论是可行的。

表2 600℃时不同荷载下的试件火烧挠度Tab. 2 The deflection of specimen in different loads at 600℃

4　结　论

通过分析足尺门框结构在国际标准升温曲线下的温度场和结构的变形，并将其与试验结果进行对比，可得到如下结论：

（1）采用热—结构耦合分析方法可以较好地模拟火灾下钢筋混凝土框架结构的温度场和变形情况［19］，为以后相关分析提供了参考。

（2）构件在受火条件下温度荷载和静力荷载对试件火灾后的性能均有一定的影响，试验结果表明火烧温度要比火烧荷载对试件的影响更大［18］。

（3）本研究的创新点在于以往虽有大量的关于高温下钢筋混凝土的热—结构耦合分析，但都只是单个的梁或柱，本研究所建立的足尺门框结构模型，对于分析构件受火后整体力学性能有更高的精确性，对以后高温整体受火模型的建立是有一定的价值与意义的。

参考文献

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Thermal Coupling Simulation of Reinforced Concrete at High Temperature

Shen Qingqing1，Luo Yingshe1，Xiang Lvlin2
（1. College of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，
Changsha，Hunan，P. R. China，410004；2. Fujian Forestry Vocational Technical College，Nanping，Fujian，P. R. China，353000）

Abstract：With the wide application of the reinforced concrete structure，accidents of structural damage caused by fire occur frequently，and the research of fire resistance of reinforced concrete is increasingly important. Based on the full scale doorframe structure model of fire experiment，the study puts out the improvement to the simulation method of single beam and single column，using large-scale finite element analysis software ANSYS to analyze the thermal coupling simulation of the full scale doorframe structure. The calculated results and experimental values are compared. The calculated values are in good agreement with the experimental values，explaining the methods of this paper are feasible，which provides a useful reference for research and design of fire resistance of reinforced concrete structure.

Keywords：full scale frame；thermal coupling；numerical analysis；temperature field；deformation

中图分类号：TU528. 571

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）01-0051-06

收稿日期：2015-11-02

基金项目：国家自然科学基金项目（51178474）

作者简介：沈晴晴（1994—），女，硕士研究生，研究方向为先进材料流变力学。

通讯作者：罗迎社（1954—），男，博士，教授，研究方向为流变力学。