圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱溫度場分析

摘要：本文利用ANSYS對圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱進(jìn)行溫度場分析，結(jié)果表明，置于鋼管混凝土中CFRP筒若采用耐高溫樹脂基碳纖維材料，當(dāng)升溫時(shí)間達(dá)到120分鐘時(shí)，它的節(jié)點(diǎn)溫度仍低于其轉(zhuǎn)變溫度，故此種構(gòu)件具有很好的耐火性能。

關(guān)鍵詞：圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱 溫度場 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 數(shù)值模擬

1 概述

CFRP復(fù)合材料因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、無磁、高耐久性，在國內(nèi)外土木工程界中被廣泛應(yīng)用[1]。但其較差的耐火性能也限制了其在有抗火要求的建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。本文通過ANSYS具體分析了圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱的溫度場分布，將CFRP材料放置在混凝土內(nèi)部，對CFRP升溫具有一定的延緩作用，使其繼續(xù)作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2 圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱數(shù)值模擬分析

2.1 建模及計(jì)算

設(shè)圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱長3000厘米，核心混凝土的直徑是400厘米，CFRP筒厚0.167厘米，鋼管外徑及其壁厚分別是800厘米和12厘米。

通過ANSYS分析溫度場時(shí)，CFRP采用三維4節(jié)點(diǎn)的 shell 3D 4 node57單元，混凝土、鋼材為三維8節(jié)點(diǎn)的 solid Brick 8 node 70單元，同時(shí)為Shell 57單元定義實(shí)常數(shù)，CFRP筒厚0.167厘米。CFRP使用Tri-Mapped網(wǎng)格劃分方式，混凝土、鋼管均采用Quad-Sweep網(wǎng)格劃分，模型分為28200個(gè)單元。

鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容采用Lie(1994) [2]、Lie和(Chabot)(1990)給出的公式；通過Lie(1994)、Lie和(Chabot)(1990)給出的公式計(jì)算混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)；通過EC4(1994)所給出的普通混凝土的比熱容公式計(jì)算混凝土比熱容。對于CFRP材料熱工參數(shù)，暫采用Griffic等早期對應(yīng)用于航天工業(yè)的一種CFRP材料進(jìn)行熱工參數(shù)測定的測定成果[3]。

構(gòu)件內(nèi)部不存在熱源，考慮到這一因素，構(gòu)建表面同時(shí)存在熱輻射及熱對流。受火面對流換熱系數(shù)αc取25W/(m·℃)，綜合輻射系數(shù)ξr為0.7，初始條件為所有節(jié)點(diǎn)的溫度20℃，組合短柱采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO-834火災(zāi)升溫曲線升溫，升溫時(shí)間是120分鐘，時(shí)間步長是1分鐘。組合短柱觀測點(diǎn)的布設(shè)情況如圖3-3所示，在與圓心相距400厘米、388厘米、294厘米、202厘米的地方分別布設(shè)觀測點(diǎn)1、觀測點(diǎn)2、觀測點(diǎn)3和觀測點(diǎn)4。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2-2為各觀測點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線圖。

圖2-2 各觀測點(diǎn)的溫度—時(shí)間關(guān)系曲線

觀察2-2后不難發(fā)現(xiàn)，鋼材的熱傳導(dǎo)性較高，所以高溫條件下鋼管會快速升溫，大概六到九分鐘分鐘鋼管最外側(cè)節(jié)點(diǎn)上的溫度就能超過600℃(節(jié)點(diǎn)溫度在10分鐘的時(shí)候會達(dá)到678.4273℃)，這樣30分鐘以內(nèi)鋼管溫度至少能達(dá)到800℃。此后，隨著時(shí)間的延長，鋼管節(jié)點(diǎn)的溫度也會逐漸升高，120分鐘的時(shí)候，ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和鋼管外側(cè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)候的溫度并沒有太大的差別?；炷恋臒醾鲗?dǎo)系數(shù)不高，因此混凝土熱傳導(dǎo)節(jié)點(diǎn)會隨時(shí)間的延長而緩慢升溫。隨著時(shí)間的延長，CFRP筒的節(jié)點(diǎn)也會呈現(xiàn)緩慢升溫的狀態(tài)，120分鐘時(shí)，大部分CFRP節(jié)點(diǎn)的溫度均達(dá)到了196.45℃。

一般樹脂基碳纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大概在100℃~200℃之間，而耐高溫樹脂基碳纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)200℃~300℃。在本文中，如果CFRP筒采用一般樹脂基碳纖維復(fù)合材料，則按照各類樹脂基的特點(diǎn)，CFRP的失效時(shí)間應(yīng)大于45分鐘；如果采用耐高溫樹脂基碳纖維復(fù)合材料作CFRP筒，則CFRP筒的節(jié)點(diǎn)溫度在120分鐘之內(nèi)都無法達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，所以CFRP還是可以繼續(xù)發(fā)揮作用。

3 結(jié)語

本文利用ANSYS有限元分析軟件具體分析了圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱截面溫度場，構(gòu)件截面溫度隨時(shí)間變化的情況也通過分析結(jié)果直觀明了地展現(xiàn)出來，而且將CFRP筒節(jié)點(diǎn)溫度與其玻璃化溫度作了對比，在高溫環(huán)境下的組合柱中CFRP材料發(fā)揮作用時(shí)間也相對明確了，這為有助于進(jìn)一步研究這類構(gòu)件的耐火性能，而且也為在高溫環(huán)境中對構(gòu)件的力學(xué)性能和耐火極限提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周長東，黃乘逵.FRP復(fù)合材料在國外土木工程中的應(yīng)用.建筑技術(shù)，2002，33（11），848-849.

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[3]高皖揚(yáng)，胡克旭，路洲導(dǎo).火災(zāi)下碳纖維加固混凝土梁溫度場分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(11)，94-98.

[4]裴普哲.建筑補(bǔ)強(qiáng)用碳纖維復(fù)合板材的研究.碩士論文，北京化工大學(xué)，2002.