沈晴晴，羅迎社，向綠林（.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南長沙 40004；.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平 353000）

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高溫下鋼筋混凝土熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬

沈晴晴1，羅迎社1，向綠林2
（1.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410004；2.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平 353000）

摘 要：隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，火災(zāi)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的事故頻有發(fā)生，因此對混凝土抗火性能的研究愈加重要。本研究在足尺門框結(jié)構(gòu)火災(zāi)模型試驗的基礎(chǔ)上，對于以前所采用的單個梁和單個柱的模擬方法提出了改進，運用大型有限元分析軟件ANSYS參照試驗進行了足尺門框構(gòu)件的熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬分析，并將得出的計算結(jié)果與試驗值進行對比驗證，計算值與試驗值吻合良好，說明本研究所采用的方法是可行的，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的研究及設(shè)計提供了有效參考。

關(guān)鍵詞：足尺門框；熱-結(jié)構(gòu)耦合；數(shù)值分析；溫度場；變形

0 引言

火災(zāi)給人類帶來了極大的危害，是我國目前造成人員傷亡數(shù)僅次于礦難的災(zāi)難?；馂?zāi)的發(fā)生頻率高，時空跨度大，造成的損失與危害觸目驚心。近年來，我國因火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失每年都達十幾億元，死亡二、三千人，火災(zāi)嚴重威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全［1］。胡玉娟統(tǒng)計并分析2008—2012年福建省電氣火災(zāi)相關(guān)數(shù)據(jù)，研究了福建省電氣火災(zāi)的特點及規(guī)律，并提出了相應(yīng)的防治對策［2］。張翔通過研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展提供參考［3］。張思玉對森林火災(zāi)危害程度評價指標并得出的相關(guān)結(jié)論，對森林火災(zāi)的預(yù)防提供了參考［4］。

梁、柱是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的重要組成構(gòu)件，其在火災(zāi)條件下的抗火性能將直接影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進而危及生命財產(chǎn)安全。目前國內(nèi)外已有很多有關(guān)鋼筋混凝土構(gòu)件高溫下力學(xué)性能的試驗及數(shù)值模擬研究。原冶金部建筑科學(xué)研究總院、清華大學(xué)、同濟大學(xué)等機構(gòu)在20世紀80年代中后期開始進行了混凝土的材性［5-6］、構(gòu)件［7］和結(jié)構(gòu)［8-9］的受火性能及反應(yīng)研究。四川消防科學(xué)研究所編制了火災(zāi)溫度作用下鋼筋混凝土梁、板、柱溫度場計算系統(tǒng)軟件程序，并開發(fā)了相應(yīng)的適用于火災(zāi)結(jié)構(gòu)燒傷鑒定的計算系統(tǒng)軟件［10-11］。積分比值法計算室內(nèi)火災(zāi)煙氣層分界面高度值也為火災(zāi)的理論計算提供了參考［12］。但是，目前火災(zāi)反應(yīng)模擬仿真計算還僅停留在構(gòu)件層次上，對于整體結(jié)構(gòu)體系以及考慮構(gòu)件間相互作用的仿真計算，尚需開展大量研究工作。

本課題首次提出足尺門框整體結(jié)構(gòu)，通過建立有限元分析模型，針對同一溫度條件下，不同靜力荷載條件下編制三組非線性分析程序，得到相應(yīng)的溫度場和受力性能曲線，并與已有的試驗結(jié)果進行對比，分析了火燒荷載對結(jié)構(gòu)的受力性能的影響。

1 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的有限元模型

1. 1 熱-結(jié)構(gòu)耦合場

為了準確模擬火災(zāi)條件下構(gòu)件的溫度場與受力性能，必須考慮到材料的熱工性能以及熱邊界條件隨時間的變化情況［13］，即對受火構(gòu)件進行瞬態(tài)非線性分析。因此，本研究采用耦合場的順序耦合法，即先對結(jié)構(gòu)進行溫度場分析，再將求得的溫度場結(jié)果以體積荷載的形式導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)的靜力分析中，以此來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。在對結(jié)構(gòu)進行熱分析時，混凝土選用SOLID70單元，鋼筋選用LINK33單元；在進行結(jié)構(gòu)靜力分析時，混凝土和鋼筋分別選用SOLID45單元和LINK8單元［14］。

1. 2 熱分析理論及基本假定

熱分析遵循能量守恒定律，對一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入和流出）［15］：

Q- W =ΔU +ΔKE +ΔPE（1）式中：Q為熱量；W為作功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動能；ΔPE為系統(tǒng)勢能。

假設(shè)本研究模擬的足尺門框結(jié)構(gòu)為連續(xù)的、各向同性的，無內(nèi)部熱源的三維溫度場問題，選用綜合換熱系數(shù)，傳熱方式按對流換熱來考慮。本研究所采用的升溫曲線近似參考國際標準ISO-834升溫曲線T = T0+345lg（8t +1）T0，T0為初始溫度（℃），t為時間（min）［14］。

熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

q″= h（TS- TB）（2）式中：h為對流換熱系數(shù)；TS為固體表面的溫度；TB為周圍流體的溫度。

構(gòu)件內(nèi)部主要以熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量，遵循熱傳導(dǎo)的基本定律，即傅里葉定律。其熱傳導(dǎo)的關(guān)系式為：

式中：Q為t時間內(nèi)的傳熱量或熱流量；K為熱傳導(dǎo)率或熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為溫度，A為平面面積；d為兩平面之間的距離。

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS進行非線性分析，分析時做如下假定：

（1）假定混凝土為各向同性材料，各方向熱傳導(dǎo)系數(shù)相同；

（2）考慮到火災(zāi)時明火直接作用在構(gòu)件表面，對火場邊界取為第一類邊界條件［16］；

（3）不考慮混凝土開裂或表層脫落后引起的內(nèi)力重分布［13］；

（4）由于鋼筋體積較小，不考慮鋼筋體積對構(gòu)件溫度場的影響。

2 程序分析及計算結(jié)果

2. 1 溫度場分布云圖分析

按照所選取的鋼筋和混凝土的熱工性能和材料特性（如表1所示）［17］，依據(jù)上述理論，建立有限元模型，經(jīng)過熱力學(xué)計算，得到40min、80min和120min的整體溫度場分布云圖如圖1，圖2，圖3所示。由圖中可以看出，構(gòu)件受火至40min左右時，最高溫度已達到533. 809℃，而由40min至80min，最高溫度由533. 833℃升至621. 681℃；再由80min至120min過程中，最高溫度由621. 681℃升至632. 76℃。說明加熱前期溫度升高速率較快，而到中后期，升溫速率明顯降低至趨于不變。通過對比圖1、圖2和圖3，不難發(fā)現(xiàn)，梁上表面溫度分布不均勻，梁柱交接處溫度較低，雖然本研究模擬為柱底均勻受火，但構(gòu)件溫度分布左右不對稱。

表1　材料的熱工參數(shù)Tab. 1 The thermal parameters of materials

2. 2 升溫曲線分析

由左側(cè)柱表面柱底、柱中和梁頂選取三點作時間-溫度升溫曲線，如圖4所示。由圖可知，柱底點在受火前期即30min以內(nèi)溫度梯度變化較明顯，而從30min開始至后期，升溫緩慢并趨于穩(wěn)定，與國際標準升溫曲線基本吻合。而柱中點和梁頂點不直接受火，主要是受到熱傳遞和對流的作用，模擬所采用的是綜合換熱系數(shù)，這兩點溫度梯度基本保持不變，升溫曲線接近斜直線，基本呈線性分布。而柱底點在加熱完成后所能達到的最高溫度也比柱中點和梁頂點要高得多，柱中點最高溫度比梁頂點稍微大些，說明熱傳遞對柱溫度的影響要比對流的作用強。

2. 3 內(nèi)力與變形分析

通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到足尺門框結(jié)構(gòu)施加靜力荷載為21kN時的位移變形圖如圖5所示。并將數(shù)值模擬中撓度的計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如表1所示。由圖5可以看出，構(gòu)件在受到靜力荷載和高溫共同作用時，產(chǎn)生了較為明顯的變形。其中，梁的變形主要發(fā)生在距梁左端1/3處至2/3之間，柱的變形主要在柱中位置，梁變形明顯比柱變形大得多，說明梁主要承受了靜力荷載的作用。梁的兩側(cè)和兩端柱底變形最小，整體看來，梁的變形要比柱的變形大得多?？梢?，與高溫相比，靜力荷載對變形的影響要大于溫度荷載。

3 試驗研究

本課題做了相應(yīng)的物理實驗驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。試驗在中南大學(xué)鐵道校區(qū)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所實驗室的火災(zāi)爐內(nèi)進行，試驗共制作11個鋼筋混凝土框架試件，其中9個試件均為高溫試驗，1個為常溫試驗，剩余一個備用［18］。圖6為加載方式?；炷敛捎?2. 5普通硅酸鹽水泥，其配比為水泥∶水∶砂∶石子= 1∶0. 617∶2. 257∶4. 127。梁柱截面尺寸和配筋率如圖7所示。試驗方式為對試件施加靜力荷載后放入火災(zāi)爐加熱。升溫曲線采用ISO834標準升溫曲線，達到預(yù)定溫度后；恒溫保持至120min，采用3種不同溫度水平和3種不同荷載水平進行試驗。圖8、圖9分別為600℃火燒后試件局部和整體表面特征圖。由圖7可以看出，600℃火燒后梁柱交接處有明顯裂縫，由圖8可以看出600℃火燒試驗后試件表面出現(xiàn)暗紅色。試驗后取600℃水平下3個試件數(shù)值模擬跨中撓度與試驗結(jié)果進行對比如表2所示，由表2對比可知，計算結(jié)果與實際結(jié)果誤差不大，基本吻合，說明本研究所采用的數(shù)值分析方法和理論是可行的。

表2 600℃時不同荷載下的試件火燒撓度Tab. 2 The deflection of specimen in different loads at 600℃

4　結(jié)　論

通過分析足尺門框結(jié)構(gòu)在國際標準升溫曲線下的溫度場和結(jié)構(gòu)的變形，并將其與試驗結(jié)果進行對比，可得到如下結(jié)論：

（1）采用熱—結(jié)構(gòu)耦合分析方法可以較好地模擬火災(zāi)下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的溫度場和變形情況［19］，為以后相關(guān)分析提供了參考。

（2）構(gòu)件在受火條件下溫度荷載和靜力荷載對試件火災(zāi)后的性能均有一定的影響，試驗結(jié)果表明火燒溫度要比火燒荷載對試件的影響更大［18］。

（3）本研究的創(chuàng)新點在于以往雖有大量的關(guān)于高溫下鋼筋混凝土的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，但都只是單個的梁或柱，本研究所建立的足尺門框結(jié)構(gòu)模型，對于分析構(gòu)件受火后整體力學(xué)性能有更高的精確性，對以后高溫整體受火模型的建立是有一定的價值與意義的。

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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，F(xiàn)ujian，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

中圖分類號：TU528. 571

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8047（2016）01-0051-06

收稿日期：2015-11-02

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51178474）

作者簡介：沈晴晴（1994—），女，碩士研究生，研究方向為先進材料流變力學(xué)。

通訊作者：羅迎社（1954—），男，博士，教授，研究方向為流變力學(xué)。