高溫火災(zāi)條件下混凝土的熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬分析

姚金偉徐建波

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315012；2.浙江中冠房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 杭州312002）

高溫火災(zāi)條件下混凝土的熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬分析

姚金偉1徐建波2

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315012；2.浙江中冠房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 杭州312002）

文章研究了高溫條件下混凝土圓桿在一維方向上溫度傳播的數(shù)值模擬問(wèn)題。文中給出了混凝土圓桿在受到瞬時(shí)高溫條件下的熱傳導(dǎo)方程，借助有限元軟件（ANSYSY）對(duì)控制方程進(jìn)行求解。計(jì)算得到了一維混凝土熱量傳播及溫度的分布規(guī)律，從其整個(gè)溫度傳播過(guò)程中可以看出，高溫條件下熱傳導(dǎo)初期混凝土在縱向方向上存在較大的溫度梯度差現(xiàn)象，且在初始階段的加熱段附近可能會(huì)存在熱波現(xiàn)象。

混凝土圓桿；有限元；溫度梯度；熱波

混凝土作為最為重要的建筑材料之一，在近100年多的歷史中廣泛地被用于建筑工程的各個(gè)領(lǐng)域。雖然對(duì)于混凝土本身而言，它具有不燃燒性、導(dǎo)熱系數(shù)低等的優(yōu)點(diǎn)，但是在其長(zhǎng)期服役過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)本身可能面臨火災(zāi)的威脅。隨著火災(zāi)的發(fā)生其結(jié)構(gòu)的溫度會(huì)迅速增高，不但混凝土自身將發(fā)生物理、化學(xué)的變化, 而且高溫作用下還會(huì)使鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能發(fā)生很大的變化，最終導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能的嚴(yán)重劣化，從而影響到整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性。而要確定混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)分布是進(jìn)行火災(zāi)下力學(xué)反應(yīng)分析的前提。因此，為了分析高溫下混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、彈性模量、變形和損傷等的變化規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的火災(zāi)受損程度和其他抗火性能研究，必須首先確定混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下其溫度場(chǎng)的分布情況。

本文主要介紹混凝土結(jié)構(gòu)在高溫火災(zāi)下的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的分布規(guī)律，找出其在高溫下與熱傳導(dǎo)過(guò)程有關(guān)特殊現(xiàn)象（如非傅里葉導(dǎo)熱效應(yīng)等），也可為工程技術(shù)人員和科研人員在設(shè)計(jì)、研究、以及處理火災(zāi)事故等情況下提供參考。

1 物理模型

文中采用的數(shù)值模型為：取混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25（各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)下表），其幾何形狀為直徑為100mm，長(zhǎng)度為750mm的圓柱體形狀。試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土圓桿的一端施加1000℃的高溫，圓桿其他部位置于常溫環(huán)境下（25℃），來(lái)研究其熱力學(xué)性質(zhì)及其溫度場(chǎng)隨時(shí)間的分布情況。

本次試驗(yàn)采用ANSYSY軟件進(jìn)行數(shù)值分析，用三維六面體實(shí)體單元SOLID 70來(lái)模擬混凝土圓桿，溫度單位為℃。在有限元分析過(guò)程中，取前18分鐘（1080s）的混凝土桿件溫度分布情況，來(lái)分析在加熱過(guò)程中混凝土的溫度變化規(guī)律。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只需要分析1/4模型即可（如圖）。

表1 C25混凝土計(jì)算使用參數(shù)

圖1 幾何形狀

圖2 有限元模型

2 計(jì)算方法

其中，T為溫度，t為時(shí)間，τ為松弛時(shí)間，a=k/ρcv是熱擴(kuò)散率，k為熱導(dǎo)率，ρ為物體的密度，cv為物體的定容比熱。

3 模擬結(jié)果

在有限元分析過(guò)程中，本文取前18分鐘（1080s）的混凝土桿件溫度分布情況。圖3-9是在加熱過(guò)程中混凝土圓桿縱向軸線上各點(diǎn)的溫度變化曲線圖。

圖3 36s時(shí)溫度分布云圖

圖4 36s時(shí)沿軸向溫度分布圖

圖3、4 為升溫過(guò)程中36s時(shí)混凝土圓桿在縱向不同長(zhǎng)度上的溫度變化曲線。由圖可見(jiàn)，此時(shí)在混凝土加熱段的表面溫度達(dá)到300℃附近，而桿件中間及另一端的溫度只有25℃左右，在混凝土圓桿的前1/8段存在較大的溫度梯度差。

圖5 432s時(shí)溫度分布云圖

圖6 432s時(shí)沿軸向溫度分布圖

圖5、6為升溫過(guò)程中432s時(shí)混凝土圓桿在縱向不同長(zhǎng)度上的溫度變化曲線。由圖可見(jiàn)，此時(shí)在混凝土加熱段的表面溫度達(dá)到550℃附近，而桿件中間段上達(dá)到近200℃溫度，桿件的另一端的溫度只有近30℃左右，在混凝土圓桿的前1/2段存在較大的溫度梯度差，但比之前的溫度梯度差要小很多，且要均勻的多。

圖7 864s時(shí)溫度分布云圖

圖8 864s時(shí)沿軸向溫度分布圖

圖7、8為升溫過(guò)程中864s時(shí)混凝土圓桿在縱向不同長(zhǎng)度上的溫度變化曲線。由圖可見(jiàn)，此時(shí)在混凝土加熱段的表面溫度達(dá)到700℃附近，而桿件中間段上也達(dá)到了近350℃溫度，桿件的另一端的溫度有近100℃左右，整個(gè)混凝土圓桿上都存在著溫度梯度差，但比之前的溫度梯度差要均勻的多、平緩的多。

圖9 1080s內(nèi)的混凝土圓桿兩端及中點(diǎn)的溫度變化曲線

圖9 為混凝土圓桿在兩個(gè)端點(diǎn)和一個(gè)中點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間變化曲線，在加熱段附近的溫度初始階段變化較大，存在很大的溫度梯度變化（極易會(huì)產(chǎn)生熱波現(xiàn)象），中點(diǎn)和遠(yuǎn)端處的溫度在之前200s內(nèi)幾乎保持不變，表明熱量還沒(méi)有傳播到此處，在之后過(guò)程中兩點(diǎn)出的溫度發(fā)生升高，但升高的速度不一。直到1080s以后三個(gè)點(diǎn)的溫度變化曲率趨于一致，表面熱傳導(dǎo)過(guò)程逐漸穩(wěn)定下來(lái)。

4 結(jié)論

（1）基于有限元模擬軟件ANSYS 對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土圓桿在高溫火災(zāi)條件下進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，得出了其混凝土結(jié)構(gòu)在高溫火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，可為混凝土結(jié)構(gòu)在高溫火災(zāi)條件下進(jìn)行內(nèi)力、強(qiáng)度、彈性模量、變形和損傷等分析提供了基礎(chǔ)；同時(shí)，由模擬結(jié)果可知，高溫條件下熱傳導(dǎo)初期混凝土在縱向方向上存在較大的溫度梯度差現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)本身會(huì)存在較大的性能上的影響。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)在高溫火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律為熱傳導(dǎo)初期在100s以內(nèi)在加熱段附近的溫度變化較大，存在很大的溫度梯度，其他地方基本沒(méi)有發(fā)生溫度的變化；在100s-1000s之間混凝土結(jié)構(gòu)各個(gè)部分發(fā)生了溫度的變化，但變化的幅度不一；直到1000s以后三個(gè)點(diǎn)的溫度變化曲率趨于一致，表面熱傳導(dǎo)過(guò)程逐漸穩(wěn)定下來(lái)。

（3）高溫火災(zāi)條件下混凝土在熱傳導(dǎo)過(guò)程中的存在非傅里葉導(dǎo)熱效應(yīng)現(xiàn)象，此現(xiàn)象主要表現(xiàn)在整個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程中的開(kāi)始（初期）階段，且熱波現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在加熱段附近。

[1] 程銀兵,吳廣明,馬建華,等.高溫環(huán)境中橫圓柱體的傳熱數(shù)值模擬[J].兵器材料科學(xué)與工程,2002,25(2):31-33.

[2] 趙廷勝.火災(zāi)下T型混凝土薄壁框架柱溫度場(chǎng)分析[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,44(3):451-455.

[3] 馬保國(guó),穆松,高英力,等.瞬時(shí)高溫混凝土性能的測(cè)試方法[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,36(S1):160-164.

[4] 李榮濤.混凝土火災(zāi)高溫中傳熱傳質(zhì)的數(shù)值模擬分析[J].混凝土,2010,(4):10-13.

[5] 李飛飛,張澤平.高溫火災(zāi)下?；⒅楸鼗炷涟宓臏?/p>

[58] 譚義秋,蒙永寅,韋良興.木薯交聯(lián)羧甲基淀粉的合成及對(duì)銅離子的吸附研究[J].糧食與飼料工業(yè),2013,(6): 32-35.

[59] 李仲謹(jǐn),趙鈐妃,李宜洋,等.交聯(lián)淀粉聚合物微球?qū)︿\離子的吸附性能[J].精細(xì)石油化工,2012,29(3):1-5.

[60] 曲樂(lè),程如梅,李義久,等.交聯(lián)氨基淀粉對(duì)氨基黑的吸附性能研究[J].離子交換與吸附,2009,25(5):442-447.

[61] 蘇建麗.一種交聯(lián)淀粉-多糖-富勒烯復(fù)合膜的制備方法[P].中國(guó)發(fā)明專利:CN103638909A,2013.

[62] Mo X Z, Jiang J B,Huang X M,et al. Preparation and Characterization of Starch Acetate/Polyvinyl Alcohol Foams[J].Applied Mechanics and Materials,2014,(513): 193-196.

[63] Sridach W, Jonjankiat S,Wittaya T. Effect of citric acid,PVOH,and starch ratio on the properties of cross-linked poly (vinyl alcohol)/starch adhesives[J]. Journal of Adhesion Science and Technology,2013, 27(15):1727-1738.

[64] 周慶,郭佳能,張京京,等.交聯(lián)-接枝雙重改性淀粉基木材膠黏劑的合成研究[J].包裝工程,2011,32(11):17-20.

[65] 俞麗珍,劉東東,劉璇,等.氧化淀粉改性脲醛樹(shù)脂膠粘劑的合成工藝研究[J].中國(guó)膠粘劑,2013,22(8):27-31.

[66] Czech Z, Wilpiszewska K,Tyliszczak B, et al. Biodegradable self-adhesive tapes with starch carrier[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2013,(44):195-199.

[67] Zhang A, Zhang Z,Shi F,et al. Disulfide crosslinked PEGylated starch micelles as efficient intracellular drug delivery platforms[J].Soft Matter,2013,9(7):2224-2233.

[68] 朱旻鵬,李新華,張博,等.交聯(lián)淀粉微球的合成與表征[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2011,(2):111-115.

[69] 劉榮基,張友全,江劍芳.交聯(lián)淀粉微球的制備與載藥性能研究[J].糧油加工,2009,(2):98-101.

[70] 高慧,姚麒麟,張星星.醇制孔可吸收性交聯(lián)止血淀粉的制備方法[P].中國(guó)發(fā)明專利:CN103012834A,2012.

[71] Baier G, Musyanovych A, Dass M, et al. Cross-linked starch capsules containing dsDNA prepared in inverse miniemulsion as “nanoreactors” for polymerase chain reaction[J].Biomacromolecules,2010,11(4):960-968.

[72] 白春妮,韓卿.輕度交聯(lián)-氧化雙重變性淀粉對(duì)瓦楞原紙?jiān)鰪?qiáng)效果的研究[J].中國(guó)造紙,2009,28(7):35-37.

[73] 汪濱,楊仁黨.戊二醛交聯(lián)淀粉微孔發(fā)泡材料(SMCF)的制備及表征[J].功能材料,2011,42(B06):524-528.

[74] Ghosh Dastidar T, Netravali A N. ‘Green'crosslinking of native starches with malonic acid and their properties[J]. Carbohydrate polymers, 2012,90(4):1620-1628.

[75] 高金義.一種采用交聯(lián)淀粉提高PVC管材耐磨和耐熱性的方法[P].中國(guó)發(fā)明專利:CN102977501A,2012.

[76] 張倩,梁濤,王凌青.一種交聯(lián)淀粉固相萃取柱及其制備方法和應(yīng)用[P].中國(guó)發(fā)明專利:CN103331150,2013.度場(chǎng)分析[J].混凝土與水泥制品,2014,(12):65-69.

[6] 俞博,葉見(jiàn)曙,溫天宇.火災(zāi)下混凝土空心板的溫度場(chǎng)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,39(3):536-540.

[7] 杜紅秀,張雄.HSC／HPC的火災(zāi)(高溫)性能研究進(jìn)展[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(4):391-396.

[8] 閻慧群,王清遠(yuǎn),閆寧.高溫下及高溫后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能評(píng)述[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(3):110-114.

Numerical Simulation Analysis of thermal conductivity of concrete under high temperature fire conditions

This paper studies the problem of numerical simulation of concrete under high temperature conditions, round bar in one dimension temperature spread. This paper presents a concrete round rod at high temperature conditions by transient heat conduction equation, using the finite element software (ANSYSY) to solve equations. Calculated the distribution of one-dimensional propagation of heat and temperature of the concrete, from the whole communication process temperature can be seen, a large temperature gradient difference early concrete heat conduction phenomenon under high temperature conditions exist in the longitudinal direction, and heated in the initial stage of segment may exist near heat wave phenomenon.

Concrete round bar; FEM; temperature gradient; heat wave

TU528

A

1008-1151(2015)03-0047-03

2015-02-12

浙江省教育廳科研項(xiàng)目“瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)的非傅里葉導(dǎo)熱效應(yīng)研究”（Y201329679）；浙江省重中之重學(xué)科開(kāi)放基金項(xiàng)目“熱波在混凝土中的傳播”(Zj1209)。

姚金偉（1981－），男，浙江德清人，浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，在讀博士，研究方向?yàn)榛炷翑嗔研阅芎湍途眯缘取?/p>