薄壁U型鋼混凝土梁火災-結構耦合的ANSYS分析

高軒能,黃文歡,張惠華

(華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021)

薄壁U型鋼混凝土梁火災-結構耦合的ANSYS分析

高軒能,黃文歡,張惠華

(華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021)

采用在空間上運用有限單元法與在時間上運用有限差分法相結合的方法,建立組合梁的火-結構耦合ANSYS分析模型;編制組合梁ANSYS熱分析程序和全過程受火非線性分析程序,對組合梁在國際標準ISO 834規定的標準火災的溫度場和撓度-時間曲線進行分析和計算.數值計算結果表明:在國際標準 ISO 834規定的標準火災下,試驗梁測點的溫度與ANSYS理論計算結果高度吻合,試驗梁位移-受火時間曲線與理論計算結果符合良好.

薄壁U型鋼;組合梁;火災;火-結構耦合;ANSYS模擬

U型鋼-混凝土組合梁由冷彎薄壁U型鋼填充混凝土組成,是一種正在發展的新型構件.U型鋼-混凝土組合梁能夠充分利用薄壁型鋼和混凝土兩種材料,外形整潔、施工快捷、無需模板、易于澆灌混凝土,并且具有降低樓層高度、節能省材、符合低碳經濟發展趨勢等優點,應用前景廣闊.國內外學者[1-3]已有不少有關其在常溫下靜力承載性能的研究,但對于其在火災高溫下的溫升特性及耐火性能,迄今研究不多[4-6].然而,火災高溫下U型鋼-混凝土組合梁的傳熱,是在非穩態環境下多介質及復雜邊界條件下的非線性二維傳熱問題,不僅受到靜力荷載的作用,還要受到溫度荷載的作用,理論分析的難度很大.這是因為結構構件在環境溫度變化的情況下形成了動態的不均勻溫度場,高溫使材料的強度和變形性能嚴重劣化,又使結構構件產生劇烈的內(應)力重分布;而且,溫度和荷載(應力)有顯著的耦合作用效應,使材料的本構關系和構件的溫度-荷載路徑有較大變化.本文建立分析組合梁構件的火-結構耦合模型,了解高溫下U型鋼-混凝土組合梁的受力性能及其變化規律.

1 火-結構耦合分析的ANSYS模型

1.1 火-結構耦合場

為便于計算,許多研究通常假設構件均勻受熱,構件截面溫度線性分布及構件處于穩態溫度場中,但這與構件受火的實際工況不符,使得構件的耐火性能分析結果誤差較大.要準確模擬火災條件下構件的反應,就必須考慮溫度場及材料熱工性能和熱邊界條件隨時間的變化,即對構件進行瞬態非線性熱分析.為此,采用間接耦合法建立火-結構耦合分析模型,利用ANSYS通用軟件對構件內力和變形進行分析.即通過傳熱分析得到構件隨時間變化的溫度場,再計算在此溫度場下構件的受力,然后與靜力荷載疊加求解.具體流程如圖1所示.

1.2 傳熱分析及假定

設U型鋼-混凝土組合梁為室內受火,可視為連續、各向同性、無內熱源的無限長梁,為二維溫度場問題,傳熱方式按對流換熱和輻射換熱考慮.采用國際標準ISO 834規定的標準的溫度-時間曲線描述構件的火災環境[7],其升溫段(t≤th,th為火災持續時間)表達式為

式(1)中:t為時間;θg為t時刻的空氣溫度;θg(0)為初始空氣溫度.

單位時間內,空氣向構件對流傳遞的熱量為

圖1 ANSYS熱-結構間接耦合法分析流程圖Fig.1 ANSYS analysis flow chart of thermalstructure indirect coup ling method

式(2)中:αc為對流傳熱系數;θb為構件表面(或保護層)溫度.

單位時間內,空氣向構件輻射傳遞的凈熱量為

式(3)中:φ為形狀系數;εr為綜合輻射系數,εr=εfεm,εf與著火房間有關,εm與構件表面特性有關;σ為Stefan-Boltzmann常數,σ=56.7 nW· (m2·K4)-1.

構件內部主要以導熱方式傳遞熱量,其截面的導熱微分方程為

式(4)中:ρ為介質密度;c為介質比熱;l為介質的導熱系數;θ為截面(x,y)處在時刻t的溫度.

為便于分析計算,分析時做如下5個假定[8]:

(1)構件截面的溫度場與材料的應力、應變及是否開裂無關,即不考慮混凝土開裂或表層脫落后的截面局部變化引起的溫度重分布;

(2)構件截面的溫度場是二維的,沿構件的軸線不變;

(3)忽略鋼材與混凝土之間接觸熱阻對組合梁構件傳熱的影響;

(4)忽略鋼筋體積對構件截面溫度場的影響;

(5)一般情況下,不考慮水分蒸發對溫度場的影響.

1.3 參數選取

表1 熱分析系數Tab.1 Coefficients of thermal analysis

根據研究對象特性,在熱分析中將輻射傳熱與對流傳熱分開考慮,并參考已有文獻[9]的邊界條件假定和邊界參數取值.熱分析參數的具體取值,如表1所示.表1中:對流換熱系數為αc,綜合輻射系數為εres,形狀系數為φ.

2 模型驗證及應用

圖2為一榀3層3跨連續框架,柱腳剛接,層高3 m,柱間距5.5 m,柱頂集中荷載P為151 kN,橫梁上的均布荷載q為25.4 kN·m-1.梁為工字型鋼截面H303.8 mm×165 mm×6.1 mm×10.2 mm,柱為工字型鋼截面H206.2 mm×203.9 mm×8.3 mm×12.5 mm[10].在底層左側防火間發生國際標準ISO 834規定的標準火災.防火間具有防止火災蔓延和隔絕熱量傳遞的作用.

為了準確模擬截面的非均勻溫度分布和捕捉局部屈曲等現象,防火間的梁和柱采用實體單元,其余部分采用梁單元,兩者接合處采用約束方程以保證變形協調.圖3為梁和柱的熱邊界條件.柱內部砌有磚墻,僅面向防火間的翼緣受火,梁上部有混凝土樓板,上翼緣上表面不受火.熱量以對流和輻射的形式從熱空氣傳遞到結構表面,又以傳導的形式在結構內部傳播.防火間受火框架采用實體單元Solid 70,防火間外的框架梁柱采用梁單元Beam 188,梁柱節點自由度耦合及接合處截面約束,如圖4所示.變化曲線(負值表示向下凸曲),如圖5所示.從圖5中可以看出,鋼框架在受火13 min時,梁跨中位移為118.36 mm;受火14 min時,梁跨中位移急劇增加到190.14 mm.這表明框架在當前荷載水平下,耐火極限可確定為14 min.另一方面,根據文獻[7]可知,在進行整體結構分析時,可取跨中位移達到L/30為183.33 mm(L為框架梁的跨度)作為結構構件達到耐火極限的判據.在計算中,位移值對應的受火時刻為13.92 m in(約等于14 m in).由此可見,應用ANSYS進行火-結構耦合分析不僅是可行的,而且具有良好的準確性.

圖2 受火框架結構(mm)Fig.2 Frame structure exposed to fire(mm)

圖3 梁柱受火面Fig.3 Boundaries exposed to fire of beam and column

在國際標準ISO 834規定的標準火災作用下,框架梁跨中位移(y)隨受火時間(t)的ANSYS計算

圖5 防火間梁跨中位移隨受火時間的變化曲線 Fig.5 Curve between mid-span deflection and exposed-to-fire time of beam in fire compartment

圖4 梁柱節點單元耦合示意圖Fig.4 Schematic diagram of joint element coup ling

圖6 U型鋼-混凝土梁溫度測試點(mm)Fig.6 Temperature test points of U-section steel concrete beam(mm)

U型鋼-混凝土組合梁試件[11]在國際標準 ISO 834規定的標準火災爐中進行受火試驗,其溫度測試點如圖6所示.組合梁試件參數:U型鋼梁寬為150 mm;翼緣寬為50 mm;混凝土板寬為600 mm;混凝土板高為80 mm;U型鋼梁高為300 mm;鋼梁腹板及翼緣板厚均為3 mm.混凝土材料為硅質混凝土,厚涂型防火涂料,厚度為6 mm,導熱系數為0.116 W· (m·K)-1,比熱為1.047 J·(g·K)-1,密度為(400± 20)kg·m-3.按上述方法建模,編制火-結構耦合ANSYS分析程序進行計算,得到的組合梁截面在30,90, 120和150 min時的溫度場,如圖7所示.

組合梁試件(UL 3)測點1的試驗溫度與ANSYS溫度的比較,以及跨中位移-受火時間曲線,分別如圖8所示.從圖8中可以看出,理論計算結果與試驗實測結果高度一致,特別是在測點1測得的溫度,其受火試驗的全過程中都與ANSYS計算結果吻合,而且跨中位移-受火時間曲線也符合很好.這表明火-結構耦合的ANSYS分析模型可用于結構構件受火全過程的數值模擬計算,計算結果具有良好的可靠性.

圖7 U型鋼-混凝土梁截面的溫度場分布(℃)Fig.7 Temperature fields of U-section steel concrete beam(℃)

圖8 受火U型鋼-混凝土梁理論與試驗結果的比較Fig.8 Comparison between simulation results and test results of U-section steel-concrete beam under fire

3 結論

通過分析和計算U型鋼-混凝土組合梁試件在國際標準ISO 834規定的標準火災下截面的溫度場和梁的撓度-受火時間曲線,并將其與試驗結果進行比較驗證,可以得到如下3點結論.

(1)在國際標準ISO 834規定的標準火災下,試驗梁測點的溫度與ANSYS理論計算結果在受火試驗全過程高度吻合,試驗梁跨中位移-受火時間曲線也與理論計算結果符合良好.表明,模擬分析薄壁型鋼混凝土組合結構的耐火性能是可行的,所建立的火-結構耦合ANSYS分析模型是合適的.

(2)火-結構耦合ANSYS模擬計算結果與試驗結果符合良好,應用于結構構件耐火性能受火全過程的數值模擬計算不僅是可行性的,而且具有良好的準確性和可靠性.

(3)應用火-結構耦合ANSYS分析模型,可對不同條件下U型鋼-混凝土組合梁的耐火性能進行評判與分析,不僅節省了大量試驗費用,而且可為構件的耐火試驗方案提供依據.

[1]張耀春,毛小勇,曹寶珠.輕鋼-混凝土組合梁的試驗研究及非線性有限元分析[J].建筑結構學報,2003,24(1):26-33.

[2]周天華,何保康,李鑫全,等.帽型冷彎薄壁型鋼-混凝土組合梁的試驗研究[J].建筑結構,2003,33(1):48-50,14.

[3]沈建華,高軒能,周期源.滑移對薄壁U型鋼-混凝土組合梁撓度的影響[J].華僑大學學報:自然科學版,2009,30 (5):557-562.

[4]李國強,吳波,韓林海.結構抗火進展與趨勢[J].建筑結構進展,2006,8(1):1-13.

[5]毛小勇,肖巖.標準升溫下輕鋼-混凝土組合梁的抗火性能研究[J].湖南大學學報:自然科學版,2006,32(2):64-70.

[6]高軒能,陳明華,王進.薄壁槽型鋼-混凝土梁在標準火災下的溫升特性[J].福州大學學報:自然科學版,2008,36 (3):430-435.

[7]李國強,韓林海,樓國彪,等.鋼結構及鋼-混凝土組合結構抗火設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[8]陳明華.薄壁型鋼-混凝土組合梁抗火性能研究[D].泉州:華僑大學,2007.

[9]KRUPPA J,ZHAO B.Fire resistance of composite beams to eurocode 4:Part 1.2[J].Journal of Constructional Steel Research,1995,33(1/2):51-69.

[10]張波,盛合太.ANSYS有限元數值分析原理與工程應用[M].北京:清華大學出版社,2005.

[11]黃文歡.薄壁型鋼-混凝土組合梁抗火性能試驗研究[D].泉州:華僑大學,2008.

(責任編輯:錢筠英文審校:方德平)

ANSYSSimulation for Fire-Structure Coupling of Thin-Walled U-Section Steel-Concrete Beam

GAO Xuan-neng,HUANGWen-huan,ZHANG Hui-hua
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

To research the fire-resistant behavior of the composite beam in fire,an ANSYSmodel for fire-structure coup ling analysis was established,by the method combining finite element method in space and finite difference method in time,and the temperature fields and the deflection-time curvesof the composite beam s under ISO 834 firewere numerically simulated and analyzed with the thermal-analysis ANSYS program and the nonlinear w hole process analysis ANSYS program.The numerical results show:under ISO standard fire,the temperature of measuring point in tested beam is highly consistent with the ANSYS simulation result,and the curve between mid-span deflection and exposed-to-fire time of the tested beam is in good agreement with the theoretical result.

thin-walled U-section steel;composite beam;fire;fire-structure coup ling;ANSYS simulation

TU 352.5;TU 398.9

A

1000-5013(2011)03-0317-05

2010-09-29

高軒能(1962-),男,教授,主要從事鋼結構穩定及工程結構災害控制的研究.E-mail:gaoxn@hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51008133);福建省科技計劃重點項目(2006H0030);國務院僑辦科研基金資助項目(07QZR04);福建省廈門市科技計劃項目(3502Z20073036)