论文部分内容阅读
摘要：利用ABAQUS有限元分析软件分析方钢管混凝土柱截面温度场，将分析结果与实验结果对比拟合，在此基础上对三面受火钢筋混凝土梁截面进行温度场分析，并相继分析了截面高度，截面宽度，升温时间等参数的影响。结果表明：升温时间以及截面宽度对其影响较大，是影响三面受火钢筋混凝土梁截面温度场的主要因素。
[关键词]：三面受火；钢筋混凝土梁；温度场
当前，我国正处于经济发展的高峰期，伴随着经济发展的同时，自然灾害也频频发生，在自然灾害中火灾的破坏性尤为强烈，对建筑物和人类的财产安全造成一定损失，所以对建筑物的抗火性能的要求也越来越高。本文通过有限元分析软件ABAQUS来模拟三面受火钢筋混凝土梁截面温度场，对日后进行梁截面的抗火设计和耐火性能提供借鉴。
1理论基础
由于钢筋和混凝土材料的特殊性，其热工参数随温度而变化，在实际应用中其构件长度远大于其宽度和高度，则可认为三面受火钢筋混凝土梁截面的温度场为没有内热源的二维非线性抛物线型，根据热微元体的热平衡以及傅里叶定律可得微分方程 为：
由于该计算公式是温度、时间以及二维平面的关系，在求解过程中需要给出初始条件和边界条件，由于在三面火灾作用下，通过热对流和热辐射来传热，通常情况下按第三类边界条件进行考虑。
2材料的热工性能
在进行有限元模拟时，材料的热工性能包括比热容、密度、导热系数等。本实验所选混凝土为硅质骨料混凝土，其热传导系数采用T.T.Lie 给出，其比热采用过镇海 推荐公式，硅质骨料混凝土密度取常值计算， 。
3温度场模拟
在进行模拟时通常对模型进行简化处理，假设①混凝土沿各个方向的传热系数相同，即为各向同性材料；②忽略热阻效应 对其产生的影响；③由于钢筋截面面积很小，对其影响很小，可以忽略，在该处用混凝土温度来代替钢筋温度。
由于目前三面受火钢筋混凝土梁截面的温度场实验结果较少，本文采用四面受火方钢管混凝土柱（a）（b）和受火圆钢管混凝土柱（c）（d）实验进行验证，结果如图1所示：
根据上图所示，分析可得：试验和计算结果二者拟合整体较好。
4影响因素分析
影响三面受火钢筋混凝土梁温度场的因素众多，下面就截面高度 、截面宽度 、升温时间 三个参数具体分析， 为测量点到混凝土外边缘之间的距离，其构件取值如表1所示，其截面图如下图2所示，分析结果如下：
4.1升温时间
图3为升温时间 对上述截面上三点的影响，对于A构件，当受火时间为60min时，截面图上的1、2、3点温度分别为846℃、183℃、65℃；当受火时间为120min时，其温度依次为993℃、369℃、215℃；当受火时间为180min时，其温度依次是1070℃、515℃、363℃；根据数据可知，当升温时间为180min时，混凝土温度比升温时间为60min时高出224℃、332℃、198℃，可见升温时间对钢筋混凝土梁截面影响较大。外部混凝土升温较快，随着时间的增加，升温缓慢，热量不断向内传播，使核心混凝土温度不断升高是造成混凝土破坏的主要原因。
4.2截面宽度
图4为截面宽度对钢筋混凝土梁的影响，选取A、C两组构件进行对比。在外表面时影响很小，几乎可以忽略；截面宽度越大，随着到混凝土外表面距离的增大，影响逐渐加大。截面越宽，核心混凝土的温度越低，上升越缓慢，这主要是因为构件越大，吸热能力越强，在满足一定规范条件下截面宽度越大，承载力损失越慢，破坏越缓慢。
4.3截面高度
图5为截面高度对钢筋混凝土梁温度场的影响，选取A、B两组构件进行对比。可见截面高度对梁截面的温度场影响很小，几乎可以看做无影响。但是截面高度的增大，可以增加受压区面积，在满足一定规范条件下，提高截面高度有利于承载力的提高。
5结论
（1） 三面火灾作用下，钢筋混凝土梁截面的温度场沿梁中部截面竖向对称。
（2） 升温时间、截面宽度是影响三面受火钢筋混凝土梁温度场分布的主要影响因素，对构件的抗弯性能将造成一定影响，但适当提高梁截面高度，有利于提高其抗弯承载力。
参考文献
[1] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京：清华大学出版社，2002： 113-122.
[2] 屠传经.热传导[M].高等教育出版社，1989.
[3] 周新刚. 混凝土结构的耐久性与损伤防治[M] 北京： 中国建材工业出版社，1999.
[基金项目] “十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ11B02）
[作者简介] 孙长征（1957～），男，国家一级注册结构师，教授级高级工程师；吴睿骁（1989～），男，结构工程硕士研究生，从事结构工程研究；赵海南（1987～），男，国家二级注册结构师，助理结构工程师。
[关键词]：三面受火；钢筋混凝土梁；温度场
当前，我国正处于经济发展的高峰期，伴随着经济发展的同时，自然灾害也频频发生，在自然灾害中火灾的破坏性尤为强烈，对建筑物和人类的财产安全造成一定损失，所以对建筑物的抗火性能的要求也越来越高。本文通过有限元分析软件ABAQUS来模拟三面受火钢筋混凝土梁截面温度场，对日后进行梁截面的抗火设计和耐火性能提供借鉴。
1理论基础
由于钢筋和混凝土材料的特殊性，其热工参数随温度而变化，在实际应用中其构件长度远大于其宽度和高度，则可认为三面受火钢筋混凝土梁截面的温度场为没有内热源的二维非线性抛物线型，根据热微元体的热平衡以及傅里叶定律可得微分方程 为：
由于该计算公式是温度、时间以及二维平面的关系，在求解过程中需要给出初始条件和边界条件，由于在三面火灾作用下，通过热对流和热辐射来传热，通常情况下按第三类边界条件进行考虑。
2材料的热工性能
在进行有限元模拟时，材料的热工性能包括比热容、密度、导热系数等。本实验所选混凝土为硅质骨料混凝土，其热传导系数采用T.T.Lie 给出，其比热采用过镇海 推荐公式，硅质骨料混凝土密度取常值计算， 。
3温度场模拟
在进行模拟时通常对模型进行简化处理，假设①混凝土沿各个方向的传热系数相同，即为各向同性材料；②忽略热阻效应 对其产生的影响；③由于钢筋截面面积很小，对其影响很小，可以忽略，在该处用混凝土温度来代替钢筋温度。
由于目前三面受火钢筋混凝土梁截面的温度场实验结果较少，本文采用四面受火方钢管混凝土柱（a）（b）和受火圆钢管混凝土柱（c）（d）实验进行验证，结果如图1所示：
根据上图所示，分析可得：试验和计算结果二者拟合整体较好。
4影响因素分析
影响三面受火钢筋混凝土梁温度场的因素众多，下面就截面高度 、截面宽度 、升温时间 三个参数具体分析， 为测量点到混凝土外边缘之间的距离，其构件取值如表1所示，其截面图如下图2所示，分析结果如下：
4.1升温时间
图3为升温时间 对上述截面上三点的影响，对于A构件，当受火时间为60min时，截面图上的1、2、3点温度分别为846℃、183℃、65℃；当受火时间为120min时，其温度依次为993℃、369℃、215℃；当受火时间为180min时，其温度依次是1070℃、515℃、363℃；根据数据可知，当升温时间为180min时，混凝土温度比升温时间为60min时高出224℃、332℃、198℃，可见升温时间对钢筋混凝土梁截面影响较大。外部混凝土升温较快，随着时间的增加，升温缓慢，热量不断向内传播，使核心混凝土温度不断升高是造成混凝土破坏的主要原因。
4.2截面宽度
图4为截面宽度对钢筋混凝土梁的影响，选取A、C两组构件进行对比。在外表面时影响很小，几乎可以忽略；截面宽度越大，随着到混凝土外表面距离的增大，影响逐渐加大。截面越宽，核心混凝土的温度越低，上升越缓慢，这主要是因为构件越大，吸热能力越强，在满足一定规范条件下截面宽度越大，承载力损失越慢，破坏越缓慢。
4.3截面高度
图5为截面高度对钢筋混凝土梁温度场的影响，选取A、B两组构件进行对比。可见截面高度对梁截面的温度场影响很小，几乎可以看做无影响。但是截面高度的增大，可以增加受压区面积，在满足一定规范条件下，提高截面高度有利于承载力的提高。
5结论
（1） 三面火灾作用下，钢筋混凝土梁截面的温度场沿梁中部截面竖向对称。
（2） 升温时间、截面宽度是影响三面受火钢筋混凝土梁温度场分布的主要影响因素，对构件的抗弯性能将造成一定影响，但适当提高梁截面高度，有利于提高其抗弯承载力。
参考文献
[1] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京：清华大学出版社，2002： 113-122.
[2] 屠传经.热传导[M].高等教育出版社，1989.
[3] 周新刚. 混凝土结构的耐久性与损伤防治[M] 北京： 中国建材工业出版社，1999.
[基金项目] “十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ11B02）
[作者简介] 孙长征（1957～），男，国家一级注册结构师，教授级高级工程师；吴睿骁（1989～），男，结构工程硕士研究生，从事结构工程研究；赵海南（1987～），男，国家二级注册结构师，助理结构工程师。