火災(zāi)下?；⒅楸鼗炷亮旱目箯澇休d力的分析與計(jì)算

張 玉,李 珠,馬 鋼

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

火災(zāi)下?；⒅楸鼗炷亮旱目箯澇休d力的分析與計(jì)算

張 玉,李 珠,馬 鋼

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

為了對(duì)玻化微珠保溫混凝土受彎梁構(gòu)件在火災(zāi)下的安全性能進(jìn)行評(píng)估提供有效的分析手段，采用有限元分析方法，對(duì)不同受火時(shí)間下?；⒅楸鼗炷潦軓澚航孛鏈囟葓?chǎng)的分布與高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行分析,結(jié)合?；⒅楸鼗炷猎诓煌芑饻囟认碌目箟簭?qiáng)度試驗(yàn)研究結(jié)果,提出了火災(zāi)下混凝土受彎梁的承載力估算方法,并與同參數(shù)的普通混凝土受彎梁進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,在火災(zāi)下不同時(shí)刻,?；⒅楸鼗炷亮后w的溫度場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化幅度更小,梁體溫度上升更加緩慢;在相同受火條件下,?；⒅楸鼗炷亮旱臍堄嗫箯澇休d力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土梁。

玻化微珠保溫混凝土;受彎梁;溫度場(chǎng);ANSYS;升溫曲線

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛,鋼筋混凝土梁作為最常見(jiàn)的抗彎構(gòu)件,在建筑結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。鋼筋和混凝土材料在火災(zāi)下不燃燒,屬于熱惰性材料,但由于火災(zāi)的高溫作用使梁結(jié)構(gòu)的材料性能劣化,發(fā)生內(nèi)應(yīng)力的重分布,導(dǎo)致梁的力學(xué)性能在嚴(yán)重削弱,將大大危害到主體結(jié)構(gòu)的安全性,因此,對(duì)火災(zāi)及高溫下混凝土受彎梁構(gòu)件力學(xué)性能的劣化程度進(jìn)行研究是十分必要的。?；⒅楸鼗炷羀1]作為一種新型的建筑材料,集承重與保溫能力為一體,與普通混凝土相比,具有強(qiáng)度高,自重輕等優(yōu)勢(shì),?；⒅楸鼗炷两Y(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程[2],對(duì)?；⒅楸鼗炷敛牧霞皹?gòu)件的耐火問(wèn)題的研究對(duì)其進(jìn)一步推廣應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。本文基于火災(zāi)下混凝土構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布受材料熱工參數(shù)等因素的影響,鑒于試驗(yàn)研究各種參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響難度較大。本研究通過(guò)傳熱學(xué)的基本原理并結(jié)合試驗(yàn)情況,采用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算溫度場(chǎng),通過(guò)對(duì)火災(zāi)高溫下?；⒅楸鼗炷潦軓澚簶?gòu)件的熱工性能的模擬,推出玻化微珠保溫混凝土受彎梁構(gòu)件在ISO標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用下的極限抗彎承載力,進(jìn)而推出火災(zāi)下,不同時(shí)間點(diǎn)?；⒅楸鼗炷潦軓澚簶?gòu)件的承載力折減系數(shù)及相關(guān)計(jì)算公式,從而簡(jiǎn)明描述火災(zāi)過(guò)程中?；⒅楸鼗炷潦軓澚旱娜趸^(guò)程。

1 溫度場(chǎng)分析[3]的基本原理

某時(shí)刻混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù),數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

f=f(x,y,z,t) .

式中:x,y,z為混凝土內(nèi)某點(diǎn)的空間坐標(biāo);t為溫度。

在火災(zāi)作用下,混凝土受彎梁內(nèi)部的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化,是一個(gè)非線性的瞬態(tài)傳熱問(wèn)題,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及比熱等都是隨溫度變化的函數(shù)。

1.1 導(dǎo)熱微分方程

火災(zāi)情況下,混凝土的導(dǎo)熱微分方程為

(1)

式中:λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù);c為比熱容;ρ為密度。

1.2 高溫下混凝土的熱工性能

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布和變化,與其外部溫度環(huán)境和材料的熱工性能相關(guān)。溫度場(chǎng)涉及的材料熱工性能參數(shù)包括:熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量密度。

1) 傳熱系數(shù)KC,W/(m2·K)定義為在溫度梯度下,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位等溫面積的熱量,由于模擬采用的普通混凝土模型為鈣質(zhì)骨料混凝土,采用歐洲規(guī)范建議的高溫下鈣質(zhì)骨料混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算公式?；炷翢醾鲗?dǎo)系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律,如式(2)所示。

(2)

?；⒅檩p骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

2) 比熱。玻化微珠的比熱計(jì)算采用歐洲規(guī)范建議的高溫下混凝土比熱的計(jì)算公式,如式(4)。

(4)

3)密度。由于在升溫的過(guò)程中水分的蒸發(fā),混凝土的密度在受熱過(guò)程中有所降低,采用歐洲規(guī)范建議的高溫下混凝土密度計(jì)算公式,式(5)為普通混凝土在高溫下的密度計(jì)算公式,式(6)為?；⒅楸鼗炷猎诟邷叵碌拿芏扔?jì)算公式。

ρC(t)=2 600-0.5t，

(5)

ρC(t)=1 900-0.5t.

(6)

2 ?；⒅楸鼗炷粮邷叵碌幕玖W(xué)性能

采用了高溫下邊長(zhǎng)為100mm×100mm×100mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土立方體試塊,分別進(jìn)行7種不同溫度的高溫處理,以對(duì)比?；⒅楸鼗炷僚c普通混凝土高溫下抗壓強(qiáng)度。由于混凝土是熱惰性材料,Mohamedbhai[4]通過(guò)普通混凝土內(nèi)埋應(yīng)變片的恒高溫試驗(yàn)認(rèn)為,在溫度達(dá)到并恒溫3h后即可認(rèn)為試塊滿足截面無(wú)溫度梯度假設(shè),高溫下強(qiáng)度較穩(wěn)定。?；⒅楸鼗炷僚c普通混凝土恒溫3h混凝土試塊的軸心抗壓強(qiáng)度值如表1所示。

表1 各混凝土在不同溫度下恒溫3 h的軸心抗壓強(qiáng)度 MPa

3 火災(zāi)下混凝土受彎梁的溫度場(chǎng)分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

準(zhǔn)確描述火災(zāi)時(shí)建筑室內(nèi)空氣溫度的分布及其隨時(shí)間變化的規(guī)律是結(jié)構(gòu)抗火需要解決的首要問(wèn)題,火災(zāi)升溫曲線是火災(zāi)溫度與持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系。我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,其表達(dá)式如式(7)所示。

θ-θ0=345 log(8t+1) .

(7)

式中:t為試驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間,min;θ為升溫到t時(shí)間的爐溫,℃;θ0為爐內(nèi)初始溫度,℃。

3.2 ANSYS模型建立以及邊界條件

ANSYS計(jì)算采用升溫曲線模擬火災(zāi)環(huán)境下的溫度[5]。溫度場(chǎng)計(jì)算中有限元模型單元采用solid70,該單元具有三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)能力,有8個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度,用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析。由于在火災(zāi)過(guò)程中,表面升溫非?？?造成混凝土內(nèi)部有很大的溫度梯度,有限元分析單元邊長(zhǎng)設(shè)為20 mm,模型計(jì)算時(shí)間為10、60、180 min。初始條件，假設(shè)梁體上部為樓板,模擬混凝土梁三面受火情形下的梁體內(nèi)部瞬態(tài)溫度場(chǎng)響應(yīng),假設(shè)整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度均勻,且等于環(huán)境溫度20 ℃。

4 火災(zāi)后鋼筋混凝土受彎梁剩余承載力計(jì)算

鋼筋混凝土梁常作為受彎構(gòu)件出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中,其在遭受長(zhǎng)時(shí)間火災(zāi)情況下,混凝土及內(nèi)部縱向抗拉鋼筋的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生不同程度的改變,鋼筋混凝土梁的抗彎承載能力將嚴(yán)重受損。玻化微珠保溫混凝土作為一種新型保溫承重混凝土,火災(zāi)及高溫同樣會(huì)對(duì)混凝土材料造成不同程度的影響,本文通過(guò)對(duì)火災(zāi)下?；⒅楸鼗炷亮旱乃矐B(tài)溫度場(chǎng)分布的模擬分析,利用強(qiáng)度等效折減法對(duì)?；⒅楸鼗炷亮焊邷叵碌目箯澇休d能力進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估。

4.1 溫度場(chǎng)分析方法

本研究中梁體跨中截面鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB335,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fC=20.1 N/mm2,鋼筋混凝土梁寬150 mm,高300 mm,梁體縱向受力鋼筋直徑為C14,梁上部為樓板。將梁體混凝土劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm,這樣梁體截面被離散化為30×15個(gè)微元,坐標(biāo)為(i,j)的微元在θ0時(shí)刻的溫度記為tθ0(i,j),近似取微元中心溫度代表網(wǎng)格的溫度,本研究網(wǎng)格的尺寸決定了梁體抗彎承載力的計(jì)算誤差,網(wǎng)格尺寸越小,計(jì)算結(jié)果越接近準(zhǔn)確值,混凝土梁溫度場(chǎng)網(wǎng)格圖如圖1圖2所示。

小兒柴桂退熱顆粒的UPLC指紋圖譜及聚類、主成分分析…………………………………………………… 林 源等（4）：474

圖1 ?；⒅楸鼗炷翜囟葓?chǎng)分布云圖

圖2 普通混凝土溫度場(chǎng)分布云圖

4.2 混凝土

通過(guò)單元網(wǎng)格,計(jì)算混凝土受壓區(qū)面積。根據(jù)混凝土溫度場(chǎng)分布云圖及不同受火時(shí)間截面受壓區(qū)的面積來(lái)計(jì)算混凝土所提供的應(yīng)力之和。忽略因保護(hù)層破壞造成的影響。

4.3 鋼筋

鋼筋混凝土的耐火性較差,特別是隨著溫度的提高,鋼筋的強(qiáng)度和剛度迅速下降,因此混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)尤其重要,在建筑火災(zāi)或長(zhǎng)時(shí)間高溫下,如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層受損后開(kāi)裂脫落,是十分危險(xiǎn)的。不同于混凝土是熱惰性材料,鋼筋是熱的良導(dǎo)體,不同時(shí)刻梁體受力鋼筋位置處混凝土的溫度作為鋼筋溫度,據(jù)過(guò)鎮(zhèn)海[6]等人的研究可以得到三級(jí)鋼筋在恒載升溫的條件下的強(qiáng)度如圖3所示。由于高溫中試件當(dāng)受熱溫度不超過(guò)650 ℃時(shí),極限粘結(jié)應(yīng)力下降程度不明顯,因此,當(dāng)鋼筋溫度低于650 ℃時(shí),本計(jì)算忽略鋼筋與混凝土粘結(jié)力隨溫度的退化[7]。

圖3 三級(jí)鋼在恒載升溫條件下的強(qiáng)度

4.4 混凝土梁殘余抗彎承載力計(jì)算

火災(zāi)下材料的力學(xué)性能發(fā)生變化,梁體控制截面的應(yīng)力分布及中性軸位置發(fā)生相應(yīng)的改變,本研究根據(jù)等效截面法的假設(shè)和常溫下受彎構(gòu)件的計(jì)算原則求解其剩余承載力,忽略梁體受拉區(qū)混凝土的抗拉能力。根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8],可知鋼筋混凝土受彎梁構(gòu)件破壞時(shí)的跨中截面的抗彎承載力計(jì)算公式如式(8)(9)所示。

pyAS=α1pcbx.

(8)

Mu=pyAS(h0-x)+0.5a1pcbx2=

(9)

在本研究中依據(jù)規(guī)范公式,衍生出梁體抗彎承載力的近似計(jì)算法用于對(duì)梁體抗彎承載力退化程度進(jìn)行量化評(píng)估如式(10)(11)所示。

(10)

(11)

計(jì)算得到玻化微珠保溫混凝土及普通混凝土在火災(zāi)下相同時(shí)刻的殘余承載力,如表2所示。圖4為混凝土在火災(zāi)下相同時(shí)刻殘余承載力對(duì)比圖,從圖4可以看出,隨著受火時(shí)間的推移,玻化微珠保溫混凝土梁承載力下降較為緩慢,普通混凝土梁承載力下降較快。在受火30 min時(shí),玻化微珠保溫混凝土梁與普通混凝土梁承載力分別下降21%和32%；在受火180 min時(shí),二者的承載力分別下降了79%和92%。主要原因在于?；⒅楸鼗炷林泻写罅康牟；⒅?具有保溫隔熱的作用,可以有效減緩火災(zāi)熱量的傳遞速度。特別是當(dāng)玻化微珠保溫混凝土受火120 min后以及普通混凝土受火60 min后,鋼筋溫度超過(guò)650 ℃,鋼筋與混凝土粘結(jié)力的退化導(dǎo)致FM的實(shí)際值將低于FM的估算值。

表2 火災(zāi)下相同時(shí)刻各混凝土梁跨中截面應(yīng)力參數(shù)

圖4 混凝土在火災(zāi)下相同時(shí)刻殘余承載力對(duì)比圖

5 結(jié)論

1) 在確定邊界條件及相關(guān)熱工參數(shù)后,本文對(duì)火災(zāi)下玻化微珠保溫混凝土和普通混凝土受彎梁的控制截面瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,得出其隨溫度的變化規(guī)律。

2) 利用試驗(yàn)得出混凝土材料在高溫下的力學(xué)性能,使用強(qiáng)度等效折減法,對(duì)不同溫度下混凝土受彎梁抗彎承載力進(jìn)行計(jì)算,并得出了不同溫度作用下混凝土梁抗彎承載力近似值的計(jì)算方法,本方法可用于對(duì)火災(zāi)及高溫下的新型混凝土梁體抗彎承載力進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)。

3) 通過(guò)與普通混凝土梁同邊界條件下的對(duì)比可知,?；⒅楸鼗炷磷鳛橐环N新型承重保溫建筑材料,憑借良好的隔熱性能,其受彎構(gòu)件在火災(zāi)及高溫作用下更加可靠與安全。

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(編輯：朱 倩)

The Analysis and Calculation on Bearing Capacity of Glazed Hollow Bead Insulation Concrete Bending Beam under Fire

ZHANG Yu,LI Zhu,MA Gang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

This study aims to establish an effective analysis way to evaluate the safety performance of glazed hollow bead insulation concrete bending beam under fire. Using the finite element analysis method, this paper analyzed temperature field distribution in section under different time by fire and mechanical performance under high temperature of glazed hollow bead insulation concrete bending beam.Combining with the compression strength test results of glazed hollow bead insulation concrete under different fire temperature, this paper proposed the method for estimating the bearing capacity of concrete bending beams under fire,and compared the result with that of normal concrete bending beams with the same parameters.Results show that with different fire time, the change range of temperature field distribution in glazed hollow bead insulation concrete beam is smaller, and the beam body temperature rises more slowly. In the same condition by fire, the residual bearing capacity of glazed hollow bead insulation concrete bending beam is much higher than that of normal concrete bending beam. The research results in this paper can provide relevant reference to the related engineering application of glazed hollow bead insulation concrete.

glazed hollow bead insulation concrete;bending beam;temperature field;ANSYS;elevated temperature curve

1007-9432(2015)05-0548-05

2014-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：?；⒅楸厣皾{劣化機(jī)理及對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響研究(51308371)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：裝配式保溫混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震研究(2014011033-1)

張玉(1987-)，女，山西晉中人，博士生，主要從事建筑節(jié)能的研究，(E-mail)215215zy@163.com，(Tel)18734861345

TU551.34

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.013