基于ABAQUS 的圓鋼管混凝土柱截面溫度場分析

楊 帆，呂向明，魏國強

（天水師范學院 土木工程學院，甘肅 天水 741001）

現(xiàn)代建筑物的高層化、大規(guī)模化以及用途的復合化使得建筑火災發(fā)生的因素隨之增加，建筑火災危害亦日益擴大。[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、耐火性能好等特點已廣泛地應用我國高層以及超高層建筑中。當前已有學者對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)溫度場進行了試驗研究和理論分析。Lie和Chabot[2]對5根均勻受火圓鋼管混凝土柱進行了耐火性能實驗，測得了無防火保護層鋼管混凝土柱在CAN4-S101升溫曲線下的溫度場分布，并編制了溫度場的簡化計算程序。楊華等[3]采用ANSYS有限元軟件進行了矩形鋼管混凝土柱在單面受火時的截面溫度場分析，并與四面受火工況進行了對比，分析表明，單面受火時截面溫度分布呈單軸對稱。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，對鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點進行了溫度場分析。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的溫度場分析方法，并進行了溫度場分析，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有限元軟件進行了型鋼混凝土柱截面溫度場數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進行了對比。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有限元軟件對帶樓板的單層單跨鋼管混凝土平面框架進行了溫度場分析，升溫曲線采用ISO-834國際標準升溫曲線，結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁截面在受火30min后最大溫差達到500℃以上，鋼管混凝土柱截面溫度場沿柱縱向呈非均勻分布。

溫度場分析是進行構(gòu)件耐火性能分析和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的基礎(chǔ)，本文運用有限元軟件ABAQUS，建立了圓鋼管混凝土柱截面溫度場精細有限元分析模型。研究了標準火災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、鋼管與防火保護層之間、加載板與柱之間均采用（Tie）約束，不考慮界面相對滑移。鋼管混凝土柱不考慮溫度沿柱長度方向的變化，即二維傳熱分析，只假定沿截面進行溫度傳遞。

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)點三維實體單元DC3D8，在溫度場模型中，單元類型選用Heat transfer，溫度傳遞以熱輻射、熱傳導和熱對流為主。在劃分網(wǎng)格時，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)

在溫度場分析中，合理選取鋼材、混凝土的熱工參數(shù)對計算結(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熱系數(shù)、比熱和密度，并考慮水蒸氣對混凝土比熱的影響。

2.1 混凝土熱工參數(shù)

（1）導熱系數(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%，故對上述公式可修改為：

2.2 鋼材熱工參數(shù)

（1）導熱系數(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)

試驗中防火保護層采用厚涂型鋼結(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；導熱系數(shù)λ=0.116W/(m ·K)；比熱c=1.047×103J/(kg·K)。

3 算例驗證

3.1 無防火保護鋼管混凝土柱截面溫度場分析

通過選擇合理的火災模型、熱工參數(shù)模型，以及邊界條件等，運用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有限元模型，分析了不同時刻鋼管混凝土柱截面的升溫特性，圖1所示為無防火保護的圓鋼管混凝土柱有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，其中實線為試驗結(jié)果，虛線為本文有限元計算結(jié)果，d為溫度測點沿徑向距鋼管表面的距離，試驗結(jié)果來自Lie(1994)[10]和Lie和Chabot(1992)，[11]采用加拿大設(shè)計規(guī)程CAN4-S101規(guī)定的升溫曲線進行升溫。試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果總體吻合良好，驗證了建模方法對模擬無防火保護的鋼管混凝土柱溫度場的有效性。

圖1 無防火保護圓鋼管混凝土柱截面T-t關(guān)系曲線[10，11]

3.2 有防火保護鋼管混凝土柱截面溫度場分析

防火保護層厚度對鋼管混凝土柱截面升溫影響較大，保護層越厚，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進行數(shù)值模型驗證，該試驗按照ISO-834標準升溫曲線進行升溫，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層厚度a，圖2所示為試驗中截面溫度測點位置，圖3是有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比情況，可見有限元分析曲線與試驗曲線總體吻合良好。

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，升溫時間相對鋼管明顯滯后。

圖2 柱截面特征點位置

表1 溫度場試驗試件表

圖3 有防火保護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)試驗研究，建立了圓鋼管混凝土柱溫度場有限元分析模型，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。