Pyrosim火災(zāi)模擬和ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線火災(zāi)下鋼筋混凝土梁柱的研究

【摘? 要】自古以來，人類就學(xué)會(huì)了用火，火的應(yīng)用對(duì)人類生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步一直起著非常重要的作用。然而，火災(zāi)的不規(guī)范使用也對(duì)人們的社會(huì)穩(wěn)定、生命支持和物質(zhì)資源造成了巨大損害。雖然社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，但科學(xué)技術(shù)水平不斷發(fā)展和提高。人們的防火意識(shí)也在增強(qiáng)，許多地方發(fā)生火災(zāi)的概率一直在降低，但仍有許多火災(zāi)無法避免。本文通過對(duì)文獻(xiàn)的總結(jié)，得出火災(zāi)下和火災(zāi)后鋼筋和混凝土的熱工性能，并利用Pyrosim軟件建立了單個(gè)房間的室內(nèi)火災(zāi)模型，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行了模擬。得到Pyrosim模擬溫度-時(shí)間曲線，利用ABAQUS有限元軟件分別模擬Pyrosim模擬溫度-時(shí)間曲線和ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線，得到鋼筋混凝土梁、柱的溫度場(chǎng)，并對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土構(gòu)件;FDS;火災(zāi);ABAQUS;溫度場(chǎng);

FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器）是由NIST（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）和建筑與火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于現(xiàn)場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件。它是以流體運(yùn)動(dòng)為火災(zāi)主要模型對(duì)象的計(jì)算流體力學(xué)模型。^[1]

1 ?Pyrosim軟件模擬單個(gè)房間的室內(nèi)火災(zāi)

Pyrosim是Thunderhead Engineering開發(fā)的建模軟件，并非NIST開發(fā)，該軟件的計(jì)算仍采用FDS。它可以模擬火災(zāi)發(fā)展、溫度分布、煙氣流動(dòng)等，本文通過Pyrosim軟件建立單個(gè)房間室內(nèi)火災(zāi)模型，其中房間長(zhǎng)度為12m，寬度為6m，高度為3.6m，門的寬度為1m，高度為2.4m，窗的寬度為4m，高度為1.7m，離地高度為1.1m，共兩個(gè)，假設(shè)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)窗的開放面積是總面積的一半，定義可燃物材料為YELLOW PINE，定義燃燒反應(yīng)為WOOD_PINE（Active），分布區(qū)域?yàn)檎麑訕前?，初始燃燒位置為房間中心，布置4個(gè)熱電偶，沿寬度方向?qū)ΨQ布置，沿長(zhǎng)度方向均勻分布，離地高度為1.8m，得到單個(gè)房間的室內(nèi)火災(zāi)模型。如圖1所示。

通過Pyrosim軟件對(duì)上述單個(gè)房間室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行模擬，得到4個(gè)熱電偶測(cè)溫度點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線，將上述四點(diǎn)的的溫度時(shí)間曲線的平均值與與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比，得到如圖2所示。其中ISO834^【2】提供的標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線：T₀：初始溫度，一般取20℃????? T：t分鐘時(shí)的平均溫度。

將Pyrosim模擬溫度-時(shí)間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)Pyrosim模擬溫度-時(shí)間曲線各點(diǎn)的溫度值低于ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線，但Pyrosim模擬溫度-時(shí)間曲線能夠很好地模擬室內(nèi)火災(zāi)的全過程，包括火災(zāi)升溫階段。火災(zāi)的全面發(fā)展階段和逐漸滅火的降溫階段，而ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線只有火災(zāi)溫度上升階段，沒有逐漸滅火的降溫階段。很明顯通過Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線更符合實(shí)際室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生情況，而通過ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線更偏向安全性考慮。

2? 通過ABAQUS模擬ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線下和ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線下構(gòu)件截面溫度場(chǎng)分析

通過ABAQUS有限元軟件對(duì)Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線分別模擬得到鋼筋混凝土梁柱的溫度場(chǎng)，本文使用C30混凝土，C30混凝土熱工性能主要有熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、質(zhì)量密度等，其中，熱膨脹系數(shù)采用歐洲規(guī)范EC3^【3】總結(jié)的得到的混凝土熱膨脹系數(shù)表達(dá)公式進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)熱系數(shù)采用同濟(jì)大學(xué)的朱伯龍^【4】通過研究得到的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)公式進(jìn)行計(jì)算，比熱容采用T.T.Lie^【5】通過研究得到的混凝土比熱容表達(dá)公式進(jìn)行計(jì)算，質(zhì)量密度采用2300kg/m³，彈性模量采用吳波^【6】通過研究得到的高溫后混凝土彈性模量表達(dá)公式進(jìn)行計(jì)算，泊松比采用吳波^【6】通過研究得到高溫后混凝土泊松比表達(dá)公式進(jìn)行計(jì)算，通過公式得到的高溫下混凝土熱工性能的參數(shù)如表3.1所示，對(duì)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼筋散布在混凝土內(nèi)，一般只占構(gòu)件體積的3%不到。在高溫火災(zāi)情況下，鋼筋的存在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布影響很小，所以在分析結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)時(shí)，忽略鋼筋的作用，將構(gòu)件看做是勻質(zhì)的混凝土材料。

由上述ABAQUS溫度場(chǎng)得到的Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線下的鋼筋混凝土柱和梁的溫度云圖可知：隨著升溫時(shí)間的增加，截面處各點(diǎn)的溫度都有所增加;對(duì)于四面受火的混凝土柱，溫度云圖是沿著x、y方向雙向?qū)ΨQ分布的，對(duì)于三面受火的梁，溫度云圖是沿著y方向單向?qū)ΨQ的;對(duì)于多面受火的鋼筋混凝土構(gòu)件，溫度云圖可以近視看成是各受火面單面受火時(shí)溫度云圖的疊加。

由上述ABAQUS溫度場(chǎng)得到的Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線下的鋼筋混凝土柱和梁各點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線可知：由于混凝土具有熱惰性，截面弄完溫差較大，當(dāng)120min最外層溫度已經(jīng)達(dá)到1000℃時(shí)，最內(nèi)層溫度還沒有達(dá)到100℃;混凝土構(gòu)件越靠近外層，溫度變化越大，越靠近內(nèi)層，溫度變化越小，如圖3.19所示，300mm×300mm鋼筋混凝土梁最外層兩點(diǎn)溫度差距超過300℃，而最內(nèi)層等距離兩點(diǎn)的溫度差距只有不到10℃;沿邊中點(diǎn)向中心等距離點(diǎn)的溫度差距大，升溫速度較慢，而沿角45°向中心等距離點(diǎn)的溫度差距小，升溫速度較快，沿角45°向中心的第一個(gè)點(diǎn)的溫度為1144.94℃，沿角45°向中心的第二個(gè)點(diǎn)的溫度為911.91，而沿邊中點(diǎn)向中心的第一個(gè)點(diǎn)的溫度為1024.08℃，沿邊中點(diǎn)向中心的第二個(gè)點(diǎn)的溫度只有704.21℃。

3? 結(jié)語

將ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線得到的溫度場(chǎng)與Pyrosim模擬的溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，分析整個(gè)過程中用ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線得到的溫度場(chǎng)溫度都要比用Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線得到的溫度場(chǎng)溫度高，通過ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)間曲線得到的溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)更加安全，在火災(zāi)發(fā)展的最后階段，通過用Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線得到的溫度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部有些部位的溫度比外部溫度高的情況，這是因?yàn)橥ㄟ^用Pyrosim模擬的溫度時(shí)間曲線有下降段，此時(shí)外面溫度逐漸下降是混凝土外部溫度下降比內(nèi)部溫度下降的速度更快導(dǎo)致的，更加符合實(shí)際發(fā)生室內(nèi)火災(zāi)時(shí)溫度場(chǎng)的變化情況。由于偏向安全性的考慮，又由于目前研究得到的混凝土熱力學(xué)性能主要在800℃以內(nèi)，故推薦采用60min時(shí)通過ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線得到的溫度場(chǎng)進(jìn)行室內(nèi)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kevin Mcgrattan. Fire Dynamics Simulator（version 4）Technical Reference Guide[Z]. NIST，2014.

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[4]朱伯龍.工程結(jié)構(gòu)抗火性能研究報(bào)告.上海：同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)研究所，1990.

[5]Lie T T，Irwin R J. Fire resistance of rectangular steel columns filled with bar-reinforced concrete.

[6]吳波.火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[M].科學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：

趙剛（1996—），男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。

（作者單位：沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院）