火灾下钢筋混凝土梁ABAQUS有限元分析

吴凯，杨志年 （华北理工大学，河北 唐山 063210）

1 引言

钢筋混凝土结构凭借耐久性和整体性较好，广泛应用于工程建设当中。但近些年来，房屋着火事件不断上升，不仅使房屋结构倒塌破坏，还给人带来严重的生命和财产损失。因此，对建筑结构火灾下的研究刻不容缓。文献[1]模拟钢筋混凝土梁受火面作为变量情况下，分析了梁截面温度场分布以及截面测点温度变化的异同。文献[2]研究了梁初始损伤的情况下，进一步对火灾下钢筋混凝土梁截面温度和承载力产生的不良影响。文献[3]对比了火山渣和普通混凝土梁不同时刻梁截面温度变化以及截面测点的升温曲线。

火山渣混凝土具有更好的耐火作用。文献[4]利用ABAQUS有限元软件，通过普通混凝土简支梁在火灾下跨中挠度、梁底跨中拉应力与温度的关系，分析了普通混凝土构件的耐火性能。

本文通过梁在火灾下的有限元模拟，对梁截面温度以及梁在热力耦合作用下跨中挠度的变化情况进行分析。

①温度场分析：通过ABAQUS软件，模拟火灾下钢筋混凝土梁受火温度场的分布。布置混凝土截面各测点，分析各测点的温度变化情况。

②热力耦合分析：选择合理的材料参数与本构，利用ABAQUS软件将温度场与力场进行耦合分析。通过观察各时间阶段，钢筋混凝土梁在火灾下跨中竖向变形的情况，分析梁在火灾下的耐火行为以及耐火极限。

2 有限元模型的建立

模拟火灾下钢筋混凝土梁通过热传导、热对流、热辐射三种传热途径进行传热分析。梁进行三面升温如图1所示。根据ISO-834曲线升温3h，梁整体网格划分如图2所示。钢筋和混凝土的比热、热传导系数按EC4[4]取值，本构关系按T.T.Lie[5]取值。

图1 梁受火截面

图2 整体网格划分模型

3 构件设计

依据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[6]，梁钢筋布置及尺寸设计如图3所示，C30强度混凝土，20mm厚的钢筋保护层。支座边界条件为两端简支。垫块尺寸为225mm×200mm×100mm。

图3 截面及梁设计详图

4 梁温度场分布

4.1 钢筋和混凝土温度场

进行温度场的模拟时，钢筋混凝土梁正、背面，底面三面受火面赋予表面热辐射和热交换边界条件，辐射系数取0.5，换热系数取 25W/(m2·K)。钢筋与混凝土、混凝土与垫块之间均建立tie约束条件，将两部分区域绑定在一起，不发生相对运动。环境初始温度为20℃，加热过程依据ISO-834升温曲线。网格划分钢筋使用DC1D2传热单元，垫块和混凝土使用DC3D8实体热分析单元。

ABAQUS模拟三面受火下钢筋和混凝土的温度场分别如图4、如图5所示，混凝土受火面表面温度较高，最高温度达到1104℃，钢筋最高温度分布在梁底受拉纵筋处为1028℃。

图4 混凝土温度场

图5 钢筋温度场

4.2 混凝土截面及测点温度

如图6所示，选取梁的跨中截面，在火灾升温的不同时刻，可以看出温度场呈U型分布，受火面温度较高，向截面内部温度下降幅度依次递减。梁截面下部左右拐角处同时受梁底、梁—正（背）面火焰辐射，温升比较快，最大温度为1104℃。混凝土是热惰性材料，截面内部传热比较慢，梁背火面顶部最大温度为418℃。

在图6中 t=10800s，选取8个温度测点，测点布置如图7所示，图8为各测点升温曲线，升温一开始0～30min，测点1、2由于表面热辐射温度呈线性升高。截面内部测点由于需要一定时间的热传导，温升相对较慢。30min～80min，受火表面温升迟缓，截面内部温升较快。80min后，热传速率趋于稳定，温度均随时间缓慢增长。

图6 不同时刻混凝土温度场分布

图7 梁截面测点位置布置

图8 截面各测点温度曲线

由梁截面同一纵向测点（1、3、5、7或2、4、6、8）可以看出，纵向由梁底向上每隔100mm两测点温差依次逐渐减小，测点1、3（测点2、4）之间温度相差接近500℃，测点3、5（测点4、6）之间温度相差约100℃。这是由于混凝土近火面温度梯度较高，内部热传速率较低导致的。梁截面距右端面50mm测点4、6、8由于同时靠近两受火面，温度均比截面中部测点3、5、7高100℃左右。温升也相对较快。

5 热力耦合分析

进行热力耦合分析时，按抗火设计施加梁跨中集中荷载56kN，钢筋和混凝土使用内置区域连接。钢筋采用T3D2桁架单元，混凝土和垫块采用C3D8R三维实体单元。

受火初期，钢筋混凝土梁温度较低，钢筋和混凝土材料性能衰减缓慢，梁跨中竖向位移呈线性缓慢增长。70min左右，钢筋混凝土梁温度较高，混凝土弹性模量和材料性能降低，梁跨中竖向变形较快增长。至火灾后期90min，梁达到火灾下极限承载能力，竖向挠度快速增长而破坏。图9为梁时间挠度曲线。

图9 梁时间—挠度曲线

6 结论

在非线性有限元分析领域，ABAQUS功能十分强大。普遍应用于实际工程和研究学习中。本文利用ABAQUS建立合理的钢筋混凝土简支梁有限元模型，模拟火灾下钢筋混凝土梁构件的受火行为，通过研究分析，得到了钢筋混凝土梁温度场以及变形规律。

①通过对钢筋混凝土梁在火灾下的模拟研究，进一步分析了梁温度的变化，热辐射使得受火面温度升高较快，温度梯度较大。混凝土由于热传导系数较低，截面内部温度较低，升温较慢。从而形成了由外至内不均匀的温度场。

②火灾能加剧钢筋混凝土梁材料力学性能的下降，降低梁的承载性能，跨中竖向变形较大达到耐火极限而破坏。可以为钢筋混凝土梁火灾下温度和力学分析提供参考。