混凝土板梁火災(zāi)時(shí)溫度及應(yīng)力分析

王 麗，白 英

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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混凝土板梁火災(zāi)時(shí)溫度及應(yīng)力分析

王 麗1，白 英2

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)，總結(jié)水蒸氣遷移、腹板開裂、梁體下?lián)虾突炷帘训人姆N試驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)有限元模擬研究了爆裂現(xiàn)象對(duì)構(gòu)件溫度的影響，對(duì)比ANSYS溫度模擬結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證ANSYS模擬的可行性,結(jié)果表明試驗(yàn)構(gòu)件底板區(qū)域?yàn)楦邷丶袇^(qū)，且從底板至頂板之間存在明顯的梯度。利用埋設(shè)在梁體內(nèi)部的傳感器偵測(cè)梁體的變形以及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明構(gòu)件受火試驗(yàn)中截面應(yīng)變符合平截面假定，火損梁截面縱向受壓區(qū)主要處在頂?shù)装逦恢谩５装宓膲簯?yīng)力呈二折線分布，頂板幾乎不受高溫影響，壓應(yīng)力線性分布。受拉區(qū)主要位于腹板區(qū)域，受拉范圍隨溫度升高擴(kuò)大。

預(yù)應(yīng)力混凝土板梁； 受火試驗(yàn)； 溫度場(chǎng)； 應(yīng)力場(chǎng)； 有限元分析

1 引 言

在橋梁火災(zāi)事故中，燃燒物形成的溫度場(chǎng)會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布造成嚴(yán)重影響從而在短時(shí)間內(nèi)形成結(jié)構(gòu)損傷[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為便于分析，對(duì)火場(chǎng)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行了研究，制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)-溫度曲線[3]，我國(guó)抗火設(shè)計(jì)中也采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的ISO0834曲線作為火場(chǎng)溫度設(shè)定曲線[4]。

國(guó)外學(xué)者在這一領(lǐng)域的研究主要是通過(guò)有限元數(shù)值方法建立模型模擬火災(zāi)高溫下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)來(lái)提高其在火災(zāi)高溫下的抗火性能[5-7]。國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)遭遇火災(zāi)時(shí)的研究主要集中在對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)、抗火性能及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)材料高溫特性等領(lǐng)域[8-11]。例如研究低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲高溫力學(xué)性能、火災(zāi)中橋梁結(jié)構(gòu)鋼絞線及鋼絲彈性模量特性、抗拉強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律、高溫高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋的蠕變、混凝土(RPC)抗火性能試驗(yàn)、火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁板的力學(xué)性能試驗(yàn)等，并取得了可觀的研究成果。

但上述研究多數(shù)集中在工民建領(lǐng)域，對(duì)于有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁火災(zāi)研究較少，且大多采用小比例試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)反映橋梁結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的力學(xué)性能[12-14]。筆者以全尺寸粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土足尺構(gòu)件的火災(zāi)試驗(yàn)為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)ISO0834曲線進(jìn)行模擬試驗(yàn)，直觀研究火災(zāi)對(duì)橋梁構(gòu)件的影響，重點(diǎn)研究在已知火場(chǎng)溫度的情況下，全尺寸試驗(yàn)構(gòu)件內(nèi)部實(shí)際的溫度場(chǎng)分布及其受火時(shí)的行為特征，該研究方法在一定程度上彌補(bǔ)了全尺寸橋梁構(gòu)件火災(zāi)試驗(yàn)較為稀少的現(xiàn)狀，可為類似研究提供有益的參考。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)構(gòu)件及設(shè)備

本次試驗(yàn)中采用先張預(yù)應(yīng)力混凝土板梁作為試驗(yàn)對(duì)象，可較好地代表中小跨徑橋梁，試驗(yàn)結(jié)果也具有較好的代表性。試驗(yàn)構(gòu)件截面形式如圖1所示。

本次試驗(yàn)中的試驗(yàn)梁采用3組先施加張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，如表1所示的1#，2#，3#簡(jiǎn)支梁，構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)工況如表1所示。加熱設(shè)備及加熱方式為定制的燃?xì)饧訜釥t，加熱位置為梁的底部。

表1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方式

圖1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)概圖Fig.1 Sketch of experiment structure

在本次試驗(yàn)中，主要采集的數(shù)據(jù)類型為板梁跨中撓度、爐膛溫度以及板梁內(nèi)部溫度及梁內(nèi)部應(yīng)變這三類關(guān)鍵參數(shù)，其中板梁跨中撓度的測(cè)量方式為位移計(jì)(精度0.1mm，采樣頻率2min/次)，爐膛溫度利用布置在加熱爐內(nèi)的K型鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)量，板梁內(nèi)部溫度和應(yīng)變的測(cè)量借助預(yù)埋于梁內(nèi)傳感器獲得(布置于跨中截面，沿腹板豎向排列，其中熱電偶10個(gè)和應(yīng)變片6個(gè))。熱電偶和應(yīng)變計(jì)布置如圖1所示。

2.3 熱應(yīng)變測(cè)量

本次試驗(yàn)中的一個(gè)難點(diǎn)是試驗(yàn)橋梁構(gòu)件的熱應(yīng)變測(cè)量。在常規(guī)橋梁應(yīng)變測(cè)量中，目前國(guó)內(nèi)常用的應(yīng)變測(cè)量手段主要是電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變和振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)應(yīng)變[15-17]。在本次試驗(yàn)中由于需要模擬構(gòu)件受火，因此溫度對(duì)應(yīng)變計(jì)的影響不可忽略。由于振弦式應(yīng)變計(jì)本身沒有溫度補(bǔ)償能力，在模擬構(gòu)件受火時(shí)可能導(dǎo)致較大測(cè)量偏差，而電阻應(yīng)變片體積較小，價(jià)格較低，測(cè)量靈敏度高，可以實(shí)現(xiàn)溫度變化的自補(bǔ)償，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，故綜合考慮后決定在本次試驗(yàn)中采用電阻應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)量方式。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

在本次試驗(yàn)中，主要觀察到4類現(xiàn)象，分別是水蒸氣遷移、腹板開裂、梁體下?lián)虾突炷帘眩?個(gè)試驗(yàn)個(gè)體在試驗(yàn)中的現(xiàn)象類似。

水蒸氣遷移試驗(yàn)現(xiàn)象：試驗(yàn)開始后1min，試件板梁與爐膛間隙有大量水蒸氣溢出；15min時(shí)試件梁側(cè)面有塊狀水漬；20min時(shí)梁體開裂，水蒸氣從裂縫處溢出；25min時(shí)內(nèi)腔、梁端有水蒸氣冒出，出現(xiàn)大面積水漬。

腹板開裂試驗(yàn)現(xiàn)象：點(diǎn)火后約15min，板梁受火區(qū)腹板中下部出現(xiàn)豎向裂縫；15min～24h，裂縫最終向上發(fā)展至約2/3梁高處；>24h，大部分裂縫閉合。

梁體下?lián)显囼?yàn)現(xiàn)象：在小于30min時(shí)間段內(nèi)梁體持續(xù)下?lián)厦黠@，速度較快；30min后梁體持續(xù)下?lián)?，但下?lián)纤俣葴p緩，最大撓度為2～3cm；?；鸷髶隙戎饾u恢復(fù)?；炷帘言囼?yàn)現(xiàn)象如表2所示。

表2 混凝土爆裂試驗(yàn)現(xiàn)象

由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可見，在四類試驗(yàn)現(xiàn)象中，在混凝土爆裂方面3個(gè)不同的試驗(yàn)構(gòu)件的試驗(yàn)現(xiàn)象具有較為明顯的差異，反映出爆裂現(xiàn)象在火災(zāi)試驗(yàn)中具有較為明顯的不確定性。同時(shí)由于爆裂現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致混凝土表面大面積脫落、鋼筋直接曝火等嚴(yán)重后果，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成重大破壞，因此重點(diǎn)針對(duì)爆裂現(xiàn)象展開研究。

4 爆裂現(xiàn)象對(duì)溫度場(chǎng)的影響

4.1 有限元建模

進(jìn)行有限元模擬時(shí)，分為有無(wú)爆裂兩種情況分別進(jìn)行ANSYS建模分析。熱傳導(dǎo)微分方程中的參數(shù)按歐洲規(guī)范取用[18-20]。熱邊界條件主要依據(jù)現(xiàn)有研究成果及試驗(yàn)的實(shí)際條件確定，受火面的邊界條件取用文獻(xiàn)[21]中鄭文忠等給出的推薦值。由于試件在試驗(yàn)中可能發(fā)生的爆裂現(xiàn)象以及爆裂試件存在較大的不確定性，在建模時(shí)為便于比較，以爆裂試驗(yàn)值為參考，爆裂發(fā)生時(shí)間約為15min，爆裂深度約為3cm。

4.2 結(jié)果分析

從有限元模擬分析結(jié)果主要得到如下結(jié)論：(1)試件高溫區(qū)、低溫的豎向溫度梯度明顯，主要表現(xiàn)為底板位置出現(xiàn)高溫區(qū)，從受火面往頂板方向出現(xiàn)較為明顯的溫度梯度，離底板距離越遠(yuǎn)，溫度越低，在頂板、腹板等位置形成低溫區(qū)；(2)底板高溫區(qū)溫度較為均勻；(3)在有爆裂現(xiàn)象的2#梁底板中部出現(xiàn)較為明顯的溫度變化，而無(wú)爆裂的3#梁模擬結(jié)果中則底板溫度總體較為均勻?？梢姳褜?duì)于底板溫度的影響較為明顯，為了更明顯地看出爆裂的影響，以底板向上5cm的點(diǎn)為例，進(jìn)行有、無(wú)爆裂兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，表3給出了距離底板5cm處溫度測(cè)點(diǎn)溫度值，可見在有爆裂情形下在受火15min后溫度上升幅度大大高于無(wú)爆裂情形，前者受火90min后最高溫度達(dá)到620.1 ℃，而后者僅為370.3 ℃。

表3 有無(wú)爆裂模型距底板5 cm高度處溫度對(duì)比

4.3ANSYS溫度模擬的可行性分析

能否采用ANSYS對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)做數(shù)值模擬，關(guān)鍵是分析模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的符合程度，如二者符合較好，則有助于總結(jié)出可行的模擬方法及關(guān)鍵控制參數(shù)[22-24]。本節(jié)重點(diǎn)探討數(shù)值模擬方法的可行性，需要強(qiáng)調(diào)的是模擬時(shí)未考慮水蒸氣溢出現(xiàn)象對(duì)試件溫度場(chǎng)分布的影響。表4和表5給出了2#梁和3#梁中實(shí)測(cè)溫度和數(shù)值模擬溫度的比較結(jié)果。

表4 2#梁溫度測(cè)試值與數(shù)值模擬值對(duì)比

表5 3#梁溫度測(cè)試值與數(shù)值模擬值對(duì)比

由表4和表5結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬方法得到的各測(cè)點(diǎn)溫度值和實(shí)測(cè)溫度值之間的吻合程度較高。在試驗(yàn)進(jìn)行前30min測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度和模擬計(jì)算值之間存在一定的偏差，可能是由于前期水蒸氣溢出對(duì)試件溫度場(chǎng)分布造成了一定的影響，在試驗(yàn)進(jìn)行約30～40min后二者的吻合度較好。表明利用數(shù)值模擬方法能夠較好地反映試件的試驗(yàn)狀態(tài)，可以利用模擬方法對(duì)試件溫度分布進(jìn)行研究。

5 應(yīng)變和應(yīng)力分析

5.1 應(yīng)變及跨中撓度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)預(yù)設(shè)在梁內(nèi)的應(yīng)變計(jì)可測(cè)得各試件的梁體總應(yīng)變，其中應(yīng)變?nèi)∽笥腋拱宓钠骄?，圖2給出了1#試件梁和3#試件梁跨中撓度測(cè)試數(shù)據(jù)。

由圖2可見，梁體撓度對(duì)受火時(shí)間較為敏感，點(diǎn)火后即有較為明顯的反應(yīng)，1#梁和3#梁分別在60min和90min時(shí)分別達(dá)到最大撓度，撓度最大值分別為2.25cm和2.68cm，?；鸷罅后w撓度逐漸恢復(fù)正常值。

5.2 有限元模擬比較分析

本文的有限元分析采用熱耦合方式進(jìn)行分析，也即先分析溫度場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上將溫度載荷施加到力學(xué)模型中，最終得到分析結(jié)果，圖3給出了模擬條件下不同受火時(shí)間跨中截面縱向應(yīng)力沿路徑的分布圖。

圖2 1#和3#試件梁的撓度實(shí)測(cè)值Fig.2 Observed data of deflection in 1# beam and 3# beam

圖3 不同受火時(shí)間下跨中截面縱向應(yīng)力沿路徑的分布Fig.3 Cross section of the longitudinal stress distribution along the path duiring different fire duration

由圖3可見，底部區(qū)域的壓應(yīng)力接近二折線分布，在腹板的中間區(qū)域表現(xiàn)出拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力隨受火時(shí)間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而頂板則處于受壓狀態(tài)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中較為穩(wěn)定，受溫度影響幅度較小，但從距底板距離上看，隨著受火時(shí)間的增加，頂板壓應(yīng)力分布的斜率有增加的趨勢(shì)，表明板梁彎曲的曲率也和受火時(shí)間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

在變形方面，1#、3#梁跨中撓度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果如表6所示。

表6 不同受火時(shí)間下跨中豎向撓度比較

由表6可見，模擬值和實(shí)測(cè)值在40min以內(nèi)差別不大，總體上實(shí)測(cè)值略小于計(jì)算值。在受火時(shí)間超過(guò)40min后計(jì)算值和實(shí)測(cè)值開始出現(xiàn)較大偏差，且偏差隨著受火時(shí)間的增加而逐漸加大。其原因可能是模型中將下?lián)锨€斜率考慮為定值所致。同時(shí)從表6中可以看到，本文的振弦式應(yīng)變測(cè)量值隨加熱時(shí)間變長(zhǎng)線性增大，溫度的敏感性較好，另外需要指出的是，在本次模擬中模型采用了文獻(xiàn)[21]中的方法，認(rèn)為溫度不隨時(shí)間發(fā)生漸變可能是導(dǎo)致在受火時(shí)間較長(zhǎng)后出現(xiàn)計(jì)算值和實(shí)測(cè)之間較大偏差，但在受火時(shí)間較短時(shí)，采用該種方法是可行的。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)本次模型試驗(yàn)中出現(xiàn)的四種狀態(tài)，水蒸氣遷移、腹板開裂、梁體下?lián)稀⒒炷岭S機(jī)爆裂在該類試驗(yàn)中均會(huì)出現(xiàn)。其中水蒸氣遷移現(xiàn)象從實(shí)驗(yàn)開始即會(huì)出現(xiàn)，腹板開裂現(xiàn)象約發(fā)生在受火15min左右，其發(fā)展深度約為2/3梁高處，在梁體下?lián)戏矫?，試?yàn)過(guò)程中梁體不斷下?lián)希_始30min內(nèi)下?lián)纤俣容^快，之后速度減緩，熄火后，撓度又逐漸恢復(fù)。各片梁的最大下?lián)现翟?～3cm之間。上述三類現(xiàn)象具有共性，在各類試件中均會(huì)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。但混凝土隨機(jī)爆裂現(xiàn)象的出現(xiàn)則具有明顯的不確定性，在各實(shí)驗(yàn)構(gòu)件中出現(xiàn)的時(shí)間、位置和劇烈程度差異較大，應(yīng)當(dāng)作為此類研究的重點(diǎn)分析對(duì)象之一;

(2)試驗(yàn)表明構(gòu)件底板區(qū)域?yàn)楦邷丶袇^(qū)，且從底板至頂板之間存在明顯的梯度，由于材料傳熱等因素，距離底板不同距離的測(cè)點(diǎn)處溫度峰值會(huì)有延遲現(xiàn)象。爆裂發(fā)生后梁體溫度值及升溫速率都會(huì)明顯增大，在進(jìn)行類似有限元分析時(shí)應(yīng)采用試驗(yàn)中出現(xiàn)爆裂的實(shí)測(cè)時(shí)間和爆裂深度的實(shí)測(cè)值，因?yàn)檫@兩個(gè)因素具有很強(qiáng)的不確定性且事先很難定量估計(jì)，故模擬時(shí)需采用實(shí)測(cè)值建模，否則可能出現(xiàn)較大偏差;

(3)采用數(shù)值模擬方法適用于此類構(gòu)件的溫度場(chǎng)模擬，但需要適當(dāng)考慮試件受火后水蒸氣的溢出現(xiàn)象對(duì)試件溫度的影響，在試件水蒸氣基本停止溢出后的測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值和模擬值具有較好的吻合度。以后的研究中可進(jìn)一步研究水蒸氣溢出對(duì)試件溫度場(chǎng)的影響;

(4)構(gòu)件受火試驗(yàn)中截面應(yīng)變符合平截面假定，火損梁截面縱向受壓區(qū)主要處在頂?shù)装逦恢?。底板的壓?yīng)力呈二折線分布，頂板幾乎不受高溫影響，壓應(yīng)力線性分布。受拉區(qū)主要位于腹板區(qū)域，受拉范圍隨溫度升高擴(kuò)大。在梁體變形的有限元模擬分析中，采用文獻(xiàn)[24]中方法進(jìn)行簡(jiǎn)化可得到在40min內(nèi)模擬值和實(shí)測(cè)值較為接近的結(jié)果，驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化方法的可行性。

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TemperatureandStressAnalysisofConcreteSlabBeamExposedtoFire

WANG Li1,BAI Ying2

(1.InnerMongoliaTechnicalCollegeofConstruction,Huhhot010070,China;2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China)

Abridgebeamstructurefireexperimentwasdesigned,and4kindsofexperimentalphenomenaincludingwatervapormovement,webcracking,underdeflectionofbeamandconcreteburstingweresummarized.Byfiniteelementmethod,theinfluenceofburstingonthetemperaturewasanalyzed.Thesimulationresultswascomparedtotheexperimentdata,andthefeasibilityofANSYSsimulationwasverified.ThefeasibilityofANSYSsimulationwasverified.Theresultsshowthatthefloorareaofthetestcomponentisahightemperatureconcentrationarea,andtherewasanobviousgradientfromthebottomplatetothetopplate.Bysensorsburiedinsidethebeam,thedeformationandstressandstraindistributionweretested,andcomparedwiththefiniteelementmethodresult.Theresultsshowthatthecrosssectionofthecomponentisintheassumptionofplanesectioninthefiretest.Thesectionofthebeamsectionofthefiredamagedbeamismainlyinthepositionofthetopandbottomplate.Thecompressivestressofthebottomplateisdistributedinthetwoline,andtheroofisalmostnotaffectedbythehightemperature,lineardistributionofcompressivestress.Thetensionzonewasmainlylocatedintheweb,andthetensionrangeincreaseswiththeincreaseoftemperature.

pre-stressedconcretebeam;fireexperiment;temperaturefiled;stressfiled;finiteelementmethod

王 麗(1982-)，女，碩士，講師.主要從事建筑材料、施工、結(jié)構(gòu)方面的研究.

白 英，教授，碩導(dǎo).

TD

A

1001-1625(2016)12-4122-06