基于ABAQUS 的圓鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)分析

楊 帆，呂向明，魏國(guó)強(qiáng)

（天水師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 天水 741001）

現(xiàn)代建筑物的高層化、大規(guī)模化以及用途的復(fù)合化使得建筑火災(zāi)發(fā)生的因素隨之增加，建筑火災(zāi)危害亦日益擴(kuò)大。[1]鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性韌性好、施工方便、耐火性能好等特點(diǎn)已廣泛地應(yīng)用我國(guó)高層以及超高層建筑中。當(dāng)前已有學(xué)者對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。Lie和Chabot[2]對(duì)5根均勻受火圓鋼管混凝土柱進(jìn)行了耐火性能實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了無防火保護(hù)層鋼管混凝土柱在CAN4-S101升溫曲線下的溫度場(chǎng)分布，并編制了溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算程序。楊華等[3]采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行了矩形鋼管混凝土柱在單面受火時(shí)的截面溫度場(chǎng)分析，并與四面受火工況進(jìn)行了對(duì)比，分析表明，單面受火時(shí)截面溫度分布呈單軸對(duì)稱。江瑩等[4]通過深入分析核心混凝土和鋼管本構(gòu)關(guān)系、邊界約束等，考慮升溫段和降溫段，對(duì)鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析。丁發(fā)興等[5]基于能量平衡原理建立了圓鋼管混凝土柱在均勻受火時(shí)的溫度場(chǎng)分析方法，并進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，混凝土中水分的影響通過放大混凝土比熱的方法考慮，基于試驗(yàn)結(jié)果取表面熱傳遞系數(shù)hs=75W/(m2·K)。鄭永乾等[6]基于ANSYS有限元軟件進(jìn)行了型鋼混凝土柱截面溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。王衛(wèi)華和陶忠[7]通過選取合理混凝土和鋼材熱工參數(shù)，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)帶樓板的單層單跨鋼管混凝土平面框架進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，升溫曲線采用ISO-834國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁截面在受火30min后最大溫差達(dá)到500℃以上，鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)沿柱縱向呈非均勻分布。

溫度場(chǎng)分析是進(jìn)行構(gòu)件耐火性能分析和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，建立了圓鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)精細(xì)有限元分析模型。研究了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下圓鋼管混凝土柱截面的升溫特性。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 熱傳導(dǎo)模型界面處理

在傳熱分析建模過程中，鋼管與核心混凝土之間、鋼管與防火保護(hù)層之間、加載板與柱之間均采用（Tie）約束，不考慮界面相對(duì)滑移。鋼管混凝土柱不考慮溫度沿柱長(zhǎng)度方向的變化，即二維傳熱分析，只假定沿截面進(jìn)行溫度傳遞。

1.2 單元類型選取

在熱傳分析模型中，鋼管、核心混凝土、加載板均采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元DC3D8，在溫度場(chǎng)模型中，單元類型選用Heat transfer，溫度傳遞以熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主。在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用邊緣布種子的方法來提高網(wǎng)格劃分精度。

2 材料的熱工參數(shù)

在溫度場(chǎng)分析中，合理選取鋼材、混凝土的熱工參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要的影響。本文選取Lie[8]的熱工參數(shù)模型，考慮鋼材和混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度，并考慮水蒸氣對(duì)混凝土比熱的影響。

2.1 混凝土熱工參數(shù)

（1）導(dǎo)熱系數(shù)

（2）比熱

參考韓林海[9]文中混凝土柱在升溫過程中產(chǎn)生的水蒸氣對(duì)核心混凝土比熱的影響，假定混凝土中水分含量占總質(zhì)量的5%，故對(duì)上述公式可修改為：

2.2 鋼材熱工參數(shù)

（1）導(dǎo)熱系數(shù)

（2）比熱

（3）鋼材的容重隨溫度變化很小，一般取ρs=7850kg/m3.

2.3 防火涂料熱工參數(shù)

試驗(yàn)中防火保護(hù)層采用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂料的基本熱工參數(shù)為：密度ρ=(400±20)kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.116W/(m ·K)；比熱c=1.047×103J/(kg·K)。

3 算例驗(yàn)證

3.1 無防火保護(hù)鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)分析

通過選擇合理的火災(zāi)模型、熱工參數(shù)模型，以及邊界條件等，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件建立了考慮升溫階段的鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)有限元模型，分析了不同時(shí)刻鋼管混凝土柱截面的升溫特性，圖1所示為無防火保護(hù)的圓鋼管混凝土柱有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，其中實(shí)線為試驗(yàn)結(jié)果，虛線為本文有限元計(jì)算結(jié)果，d為溫度測(cè)點(diǎn)沿徑向距鋼管表面的距離，試驗(yàn)結(jié)果來自Lie(1994)[10]和Lie和Chabot(1992)，[11]采用加拿大設(shè)計(jì)規(guī)程CAN4-S101規(guī)定的升溫曲線進(jìn)行升溫。試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果總體吻合良好，驗(yàn)證了建模方法對(duì)模擬無防火保護(hù)的鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)的有效性。

圖1 無防火保護(hù)圓鋼管混凝土柱截面T-t關(guān)系曲線[10，11]

3.2 有防火保護(hù)鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)分析

防火保護(hù)層厚度對(duì)鋼管混凝土柱截面升溫影響較大，保護(hù)層越厚，則經(jīng)歷的歷史最高溫度就越低，本文選?。n林海，2016）[9]中圓鋼管混凝土柱試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模型驗(yàn)證，該試驗(yàn)按照ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫，防火涂料為厚涂型防火涂料，表1.1所示為構(gòu)件截面尺寸和防火保護(hù)層厚度a，圖2所示為試驗(yàn)中截面溫度測(cè)點(diǎn)位置，圖3是有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況，可見有限元分析曲線與試驗(yàn)曲線總體吻合良好。

總體可見，鋼管混凝土柱截面等溫線為一系列同心圓，由鋼管表面依次向核心混凝土內(nèi)部逐漸減小，鋼管溫度梯度較小，內(nèi)外側(cè)溫度基本相等。而核心混凝土由于具有熱惰性，故外側(cè)升溫較快，向中心逐漸減小，溫度梯度較大，升溫時(shí)間相對(duì)鋼管明顯滯后。

圖2 柱截面特征點(diǎn)位置

表1 溫度場(chǎng)試驗(yàn)試件表

圖3 有防火保護(hù)圓鋼管混凝土柱截面T-t關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

本文基于相關(guān)試驗(yàn)研究，建立了圓鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)有限元分析模型，分析了圓鋼管混凝土柱截面溫度變化特性，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明本文建模方法可以較好的模型圓鋼管混凝土柱的升溫特性。由于混凝土的熱惰性，相比鋼管，核心混凝土升溫滯后，溫度梯度較大。該方法可較準(zhǔn)確地模擬圓鋼管混凝土柱升溫特性，可為該類構(gòu)件的耐火性能研究提供參考。