（長春建筑學(xué)院，吉林 長春 130607）

有限元軟件在鋼筋混凝土梁熱分析中的應(yīng)用

路立娜

（長春建筑學(xué)院，吉林 長春 130607）

在遇到火災(zāi)荷載的條件下，鋼筋混凝土梁內(nèi)部的溫度場分布，對火災(zāi)后的構(gòu)件是否繼續(xù)使用，具有非常重要的作用。大型有限元軟件ANSYS，在有限元分析中得到了普遍的應(yīng)用．本文首先從混凝土梁截面熱分析入手，然后進(jìn)行混凝土構(gòu)梁整體熱分析，從而比較兩者在熱分析中的誤差，從而得出ANSYS在熱分析中方法及思路。

熱分析；鋼筋混凝土梁；有限元軟件

1 概述

組成鋼筋混凝土梁的材料，在火災(zāi)荷載作用下，其熱工性能和力學(xué)性能會發(fā)生明顯的變化，變形也會明顯增大，由于構(gòu)件在受火荷載時，體積膨脹、截面溫度不均勻分布，都會使截面產(chǎn)生自平衡的溫度應(yīng)力和構(gòu)件彎曲變形。在火災(zāi)荷載條件下，混凝土梁內(nèi)部溫度場的分布，對構(gòu)件能否繼續(xù)使用，將產(chǎn)生重大的影響，而有限元軟件的誕生，正好可以幫助研究者進(jìn)行一系列的模擬分析，從而得出一系列有建設(shè)性的結(jié)論。

2 梁截面有限元模擬

2.1 單元選擇

本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照傳熱學(xué)相關(guān)原理模擬高溫下混凝土的熱工性能以及試驗的邊界條件，從而分析和計算構(gòu)件內(nèi)部溫度場的分布，由于混凝土梁長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度，所以可以采用二維平面熱傳導(dǎo)，來分析其截面的溫度場分布。本次建模選用PLANE55，假定梁截面寬度為200mm，高度為400mm，單元為平面熱單元，單元邊長取為10mm。

2.2 熱工參數(shù)

在本次ANSYS熱分析中，只考慮質(zhì)量密度、比熱容、傳導(dǎo)率與換熱系數(shù)在溫度荷載作用下的變化，如圖1-圖4所示。

2.3 結(jié)果分析

由圖5混凝土梁截面不同時間點的溫度場云圖可以看出，隨著溫度的升高，由于熱傳導(dǎo)和輻射的綜合原因，構(gòu)件截面溫度也在逐步的升高，從模擬途中可以看出，由于構(gòu)件梁是三面受火，所以兩個側(cè)面和一個底面溫度是最高的，然后頂面溫度是最低的，大致呈U型分布。在構(gòu)件梁底層受拉處兩個端點，即靠近受力鋼筋的地方溫度也是比較高的，也是工程中需要重點保護(hù)的位置，而鋼筋在500℃-600℃左右的時候，其力學(xué)性能將會發(fā)生巨大的變化，從而使構(gòu)件梁承載力發(fā)生巨大的變化，從這一點可以

看出，增加混凝土的保護(hù)層厚度是非常重要的。

圖1 質(zhì)量密度隨溫度變化曲線

圖2 比熱容隨溫度變化曲線

圖3 換熱系數(shù)隨溫度變化曲線

圖4 傳導(dǎo)率隨溫度變化曲線

3 梁實體有限元分析

3.1 單元選擇

（1）混凝土單元采用Solid70 3-D熱實體單元。該單元有8個節(jié)點且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導(dǎo)能力；（2）鋼筋單元采用Link33單元。該單元用于節(jié)點間的單軸熱傳導(dǎo)，在每個節(jié)點上只有一個溫度自由度。（3）此次模擬分析鋼筋和混凝土的組合方式選擇離散式模型。

圖5 混凝土梁截面不同時間點的溫度場云圖

3.2 結(jié)果分析

混凝土梁在熱分析過程中，熱工參數(shù)的選取等同于2.2節(jié)。不同時間點的溫度場云圖得知：隨著模擬時間的增長，構(gòu)件內(nèi)部溫度逐漸升高，兩個受拉區(qū)角部溫度最高，同樣呈現(xiàn)U型分布，而且混凝土梁內(nèi)部任何一個截面的溫度分布趨勢與利用平面單元進(jìn)行梁截面分析結(jié)果是一致的。

結(jié)語

混凝土梁在有限元熱分析中，實體單元節(jié)點數(shù)龐大，導(dǎo)致計算冗繁，給計算帶了困難，而采用一些與實際情況相一致的假設(shè)條件，可以利用平面單元進(jìn)行簡化，從而可以利用混凝土梁的某一個截面來模擬其整體在火災(zāi)荷載條件下，內(nèi)部溫度場的分布情況，從而給計算帶來簡便。

[1]時旭東，過鎮(zhèn)海．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場[J]．工程力學(xué)，1996，13（01）：35-43．

[2]劉慶．鋼筋混凝土簡支梁抗火性能的試驗研究[J]．北京建筑工程學(xué)院， 2011．

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