Pyrosim火灾模拟和ISO834标准升温曲线火灾下钢筋混凝土梁柱的研究

【摘  要】自古以来，人类就学会了用火，火的应用对人类生活和经济的发展进步一直起着非常重要的作用。然而，火灾的不规范使用也对人们的社会稳定、生命支持和物质资源造成了巨大损害。虽然社会经济发展水平不断提高，但科学技术水平不断发展和提高。人们的防火意识也在增强，许多地方发生火灾的概率一直在降低，但仍有许多火灾无法避免。本文通过对文献的总结，得出火灾下和火灾后钢筋和混凝土的热工性能，并利用Pyrosim软件建立了单个房间的室内火灾模型，对火灾进行了模拟。得到Pyrosim模拟温度-时间曲线，利用ABAQUS有限元软件分别模拟Pyrosim模拟温度-时间曲线和ISO834标准温度-时间曲线，得到钢筋混凝土梁、柱的温度场，并对两者进行对比分析。

【关键词】钢筋混凝土构件;FDS;火灾;ABAQUS;温度场;

FDS（火灾动力学模拟器）是由NIST（国家标准与技术研究所）和建筑与火灾研究实验室开发的基于现场模拟的火灾模拟软件。它是以流体运动为火灾主要模型对象的计算流体力学模型。^[1]

1  Pyrosim软件模拟单个房间的室内火灾

Pyrosim是Thunderhead Engineering开发的建模软件，并非NIST开发，该软件的计算仍采用FDS。它可以模拟火灾发展、温度分布、烟气流动等，本文通过Pyrosim软件建立单个房间室内火灾模型，其中房间长度为12m，宽度为6m，高度为3.6m，门的宽度为1m，高度为2.4m，窗的宽度为4m，高度为1.7m，离地高度为1.1m，共两个，假设室内发生火灾时窗的开放面积是总面积的一半，定义可燃物材料为YELLOW PINE，定义燃烧反应为WOOD_PINE（Active），分布区域为整层楼板，初始燃烧位置为房间中心，布置4个热电偶，沿宽度方向对称布置，沿长度方向均匀分布，离地高度为1.8m，得到单个房间的室内火灾模型。如图1所示。

通过Pyrosim软件对上述单个房间室内火灾进行模拟，得到4个热电偶测温度点的温度时间曲线，将上述四点的的温度时间曲线的平均值与与ISO834标准温度时间曲线进行对比，得到如图2所示。其中ISO834^【2】提供的标准温度-时间曲线：T₀：初始温度，一般取20℃      T：t分钟时的平均温度。

将Pyrosim模拟温度-时间曲线与ISO834标准温度-时间曲线进行比较，可以发现Pyrosim模拟温度-时间曲线各点的温度值低于ISO834标准温度-时间曲线，但Pyrosim模拟温度-时间曲线能够很好地模拟室内火灾的全过程，包括火灾升温阶段。火灾的全面发展阶段和逐渐灭火的降温阶段，而ISO834标准温度-时间曲线只有火灾温度上升阶段，没有逐渐灭火的降温阶段。很明显通过Pyrosim模拟的温度时间曲线更符合实际室内火灾的发生情况，而通过ISO834标准温度时间曲线更偏向安全性考虑。

2  通过ABAQUS模拟ISO834标准温度时间曲线下和ISO834标准温度时间曲线下构件截面温度场分析

通过ABAQUS有限元软件对Pyrosim模拟的温度时间曲线与ISO834标准温度时间曲线分别模拟得到钢筋混凝土梁柱的温度场，本文使用C30混凝土，C30混凝土热工性能主要有热膨胀系数、导热系数、比热容、质量密度等，其中，热膨胀系数采用欧洲规范EC3^【3】总结的得到的混凝土热膨胀系数表达公式进行计算，导热系数采用同济大学的朱伯龙^【4】通过研究得到的混凝土导热系数表达公式进行计算，比热容采用T.T.Lie^【5】通过研究得到的混凝土比热容表达公式进行计算，质量密度采用2300kg/m³，弹性模量采用吴波^【6】通过研究得到的高温后混凝土弹性模量表达公式进行计算，泊松比采用吳波^【6】通过研究得到高温后混凝土泊松比表达公式进行计算，通过公式得到的高温下混凝土热工性能的参数如表3.1所示，对于普通的钢筋混凝土结构构件，钢筋散布在混凝土内，一般只占构件体积的3%不到。在高温火灾情况下，钢筋的存在对混凝土结构内部的温度分布影响很小，所以在分析结构的温度场时，忽略钢筋的作用，将构件看做是匀质的混凝土材料。

由上述ABAQUS温度场得到的Pyrosim模拟的温度时间曲线与ISO834标准温度时间曲线下的钢筋混凝土柱和梁的温度云图可知：随着升温时间的增加，截面处各点的温度都有所增加;对于四面受火的混凝土柱，温度云图是沿着x、y方向双向对称分布的，对于三面受火的梁，温度云图是沿着y方向单向对称的;对于多面受火的钢筋混凝土构件，温度云图可以近视看成是各受火面单面受火时温度云图的叠加。

由上述ABAQUS温度场得到的Pyrosim模拟的温度时间曲线与ISO834标准温度时间曲线下的钢筋混凝土柱和梁各点的温度时间曲线可知：由于混凝土具有热惰性，截面弄完温差较大，当120min最外层温度已经达到1000℃时，最内层温度还没有达到100℃;混凝土构件越靠近外层，温度变化越大，越靠近内层，温度变化越小，如图3.19所示，300mm×300mm钢筋混凝土梁最外层两点温度差距超过300℃，而最内层等距离两点的温度差距只有不到10℃;沿边中点向中心等距离点的温度差距大，升温速度较慢，而沿角45°向中心等距离点的温度差距小，升温速度较快，沿角45°向中心的第一个点的温度为1144.94℃，沿角45°向中心的第二个点的温度为911.91，而沿边中点向中心的第一个点的温度为1024.08℃，沿边中点向中心的第二个点的温度只有704.21℃。

3  结语

将ISO834标准温度-时间曲线得到的温度场与Pyrosim模拟的温度-时间曲线进行比较，分析整个过程中用ISO834标准温度时间曲线得到的温度场温度都要比用Pyrosim模拟的温度时间曲线得到的温度场温度高，通过ISO834标准温度时间曲线得到的温度场设计更加安全，在火灾发展的最后阶段，通过用Pyrosim模拟的温度时间曲线得到的温度场会出现内部有些部位的温度比外部温度高的情况，这是因为通过用Pyrosim模拟的温度时间曲线有下降段，此时外面温度逐渐下降是混凝土外部温度下降比内部温度下降的速度更快导致的，更加符合实际发生室內火灾时温度场的变化情况。由于偏向安全性的考虑，又由于目前研究得到的混凝土热力学性能主要在800℃以内，故推荐采用60min时通过ISO834标准温度-时间曲线得到的温度场进行室内火灾后结构力学性能的分析。

参考文献：

[1]Kevin Mcgrattan. Fire Dynamics Simulator（version 4）Technical Reference Guide[Z]. NIST，2014.

[2]ISO. ISO834：Fire resistance tests-elements of building construction. International Org anization for Standardization. Geneva：Switzerland，1999

[3]Commission of the European Communities. Eurocode No.2：Design of Concrete Struetures. London：British Standards Institution，1990.

[4]朱伯龙.工程结构抗火性能研究报告.上海：同济大学工程结构研究所，1990.

[5]Lie T T，Irwin R J. Fire resistance of rectangular steel columns filled with bar-reinforced concrete.

[6]吴波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能[M].科学出版社，2003.

作者简介：

赵刚（1996—），男，硕士研究生，主要从事结构工程研究。

（作者单位：沈阳建筑大学土木工程学院）