有限元軟件在鋼筋混凝土梁熱分析中的應用

路立娜

摘 要：在遇到火災荷載的條件下，鋼筋混凝土梁內部的溫度場分布，對火災后的構件是否繼續使用，具有非常重要的作用。大型有限元軟件ANSYS，在有限元分析中得到了普遍的應用.本文首先從混凝土梁截面熱分析入手，然后進行混凝土構梁整體熱分析，從而比較兩者在熱分析中的誤差，從而得出ANSYS在熱分析中方法及思路。

關鍵詞：熱分析；鋼筋混凝土梁；有限元軟件

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A

1 概述

組成鋼筋混凝土梁的材料，在火災荷載作用下，其熱工性能和力學性能會發生明顯的變化，變形也會明顯增大，由于構件在受火荷載時，體積膨脹、截面溫度不均勻分布，都會使截面產生自平衡的溫度應力和構件彎曲變形。在火災荷載條件下，混凝土梁內部溫度場的分布，對構件能否繼續使用，將產生重大的影響，而有限元軟件的誕生，正好可以幫助研究者進行一系列的模擬分析，從而得出一系列有建設性的結論。

2 梁截面有限元模擬

2.1 單元選擇

本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照傳熱學相關原理模擬高溫下混凝土的熱工性能以及試驗的邊界條件，從而分析和計算構件內部溫度場的分布，由于混凝土梁長度遠遠大于寬度，所以可以采用二維平面熱傳導，來分析其截面的溫度場分布。本次建模選用PLANE55，假定梁截面寬度為200mm，高度為400mm，單元為平面熱單元，單元邊長取為10mm。

2.2 熱工參數

在本次ANSYS熱分析中，只考慮質量密度、比熱容、傳導率與換熱系數在溫度荷載作用下的變化，如圖1-圖4所示。

2.3 結果分析

由圖5混凝土梁截面不同時間點的溫度場云圖可以看出，隨著溫度的升高，由于熱傳導和輻射的綜合原因，構件截面溫度也在逐步的升高，從模擬途中可以看出，由于構件梁是三面受火，所以兩個側面和一個底面溫度是最高的，然后頂面溫度是最低的，大致呈U型分布。在構件梁底層受拉處兩個端點，即靠近受力鋼筋的地方溫度也是比較高的，也是工程中需要重點保護的位置，而鋼筋在500℃-600℃左右的時候，其力學性能將會發生巨大的變化，從而使構件梁承載力發生巨大的變化，從這一點可以看出，增加混凝土的保護層厚度是非常重要的。

3 梁實體有限元分析

3.1 單元選擇

（1）混凝土單元采用Solid70 3-D熱實體單元。該單元有8個節點且每個節點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導能力；（2）鋼筋單元采用Link33單元。該單元用于節點間的單軸熱傳導，在每個節點上只有一個溫度自由度。（3）此次模擬分析鋼筋和混凝土的組合方式選擇離散式模型。

3.2 結果分析

混凝土梁在熱分析過程中，熱工參數的選取等同于2.2節。不同時間點的溫度場云圖得知：隨著模擬時間的增長，構件內部溫度逐漸升高，兩個受拉區角部溫度最高，同樣呈現U型分布，而且混凝土梁內部任何一個截面的溫度分布趨勢與利用平面單元進行梁截面分析結果是一致的。

結語

混凝土梁在有限元熱分析中，實體單元節點數龐大，導致計算冗繁，給計算帶了困難，而采用一些與實際情況相一致的假設條件，可以利用平面單元進行簡化，從而可以利用混凝土梁的某一個截面來模擬其整體在火災荷載條件下，內部溫度場的分布情況，從而給計算帶來簡便。

參考文獻

[1]時旭東，過鎮海.鋼筋混凝土結構的溫度場[J].工程力學，1996，13（01）：35-43.

[2]劉慶.鋼筋混凝土簡支梁抗火性能的試驗研究[J].北京建筑工程學院， 2011.endprint

摘 要：在遇到火災荷載的條件下，鋼筋混凝土梁內部的溫度場分布，對火災后的構件是否繼續使用，具有非常重要的作用。大型有限元軟件ANSYS，在有限元分析中得到了普遍的應用.本文首先從混凝土梁截面熱分析入手，然后進行混凝土構梁整體熱分析，從而比較兩者在熱分析中的誤差，從而得出ANSYS在熱分析中方法及思路。

關鍵詞：熱分析；鋼筋混凝土梁；有限元軟件

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A

1 概述

組成鋼筋混凝土梁的材料，在火災荷載作用下，其熱工性能和力學性能會發生明顯的變化，變形也會明顯增大，由于構件在受火荷載時，體積膨脹、截面溫度不均勻分布，都會使截面產生自平衡的溫度應力和構件彎曲變形。在火災荷載條件下，混凝土梁內部溫度場的分布，對構件能否繼續使用，將產生重大的影響，而有限元軟件的誕生，正好可以幫助研究者進行一系列的模擬分析，從而得出一系列有建設性的結論。

2 梁截面有限元模擬

2.1 單元選擇

本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照傳熱學相關原理模擬高溫下混凝土的熱工性能以及試驗的邊界條件，從而分析和計算構件內部溫度場的分布，由于混凝土梁長度遠遠大于寬度，所以可以采用二維平面熱傳導，來分析其截面的溫度場分布。本次建模選用PLANE55，假定梁截面寬度為200mm，高度為400mm，單元為平面熱單元，單元邊長取為10mm。

2.2 熱工參數

在本次ANSYS熱分析中，只考慮質量密度、比熱容、傳導率與換熱系數在溫度荷載作用下的變化，如圖1-圖4所示。

2.3 結果分析

由圖5混凝土梁截面不同時間點的溫度場云圖可以看出，隨著溫度的升高，由于熱傳導和輻射的綜合原因，構件截面溫度也在逐步的升高，從模擬途中可以看出，由于構件梁是三面受火，所以兩個側面和一個底面溫度是最高的，然后頂面溫度是最低的，大致呈U型分布。在構件梁底層受拉處兩個端點，即靠近受力鋼筋的地方溫度也是比較高的，也是工程中需要重點保護的位置，而鋼筋在500℃-600℃左右的時候，其力學性能將會發生巨大的變化，從而使構件梁承載力發生巨大的變化，從這一點可以看出，增加混凝土的保護層厚度是非常重要的。

3 梁實體有限元分析

3.1 單元選擇

（1）混凝土單元采用Solid70 3-D熱實體單元。該單元有8個節點且每個節點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導能力；（2）鋼筋單元采用Link33單元。該單元用于節點間的單軸熱傳導，在每個節點上只有一個溫度自由度。（3）此次模擬分析鋼筋和混凝土的組合方式選擇離散式模型。

3.2 結果分析

混凝土梁在熱分析過程中，熱工參數的選取等同于2.2節。不同時間點的溫度場云圖得知：隨著模擬時間的增長，構件內部溫度逐漸升高，兩個受拉區角部溫度最高，同樣呈現U型分布，而且混凝土梁內部任何一個截面的溫度分布趨勢與利用平面單元進行梁截面分析結果是一致的。

結語

混凝土梁在有限元熱分析中，實體單元節點數龐大，導致計算冗繁，給計算帶了困難，而采用一些與實際情況相一致的假設條件，可以利用平面單元進行簡化，從而可以利用混凝土梁的某一個截面來模擬其整體在火災荷載條件下，內部溫度場的分布情況，從而給計算帶來簡便。

參考文獻

[1]時旭東，過鎮海.鋼筋混凝土結構的溫度場[J].工程力學，1996，13（01）：35-43.

[2]劉慶.鋼筋混凝土簡支梁抗火性能的試驗研究[J].北京建筑工程學院， 2011.endprint

摘 要：在遇到火災荷載的條件下，鋼筋混凝土梁內部的溫度場分布，對火災后的構件是否繼續使用，具有非常重要的作用。大型有限元軟件ANSYS，在有限元分析中得到了普遍的應用.本文首先從混凝土梁截面熱分析入手，然后進行混凝土構梁整體熱分析，從而比較兩者在熱分析中的誤差，從而得出ANSYS在熱分析中方法及思路。

關鍵詞：熱分析；鋼筋混凝土梁；有限元軟件

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A

1 概述

組成鋼筋混凝土梁的材料，在火災荷載作用下，其熱工性能和力學性能會發生明顯的變化，變形也會明顯增大，由于構件在受火荷載時，體積膨脹、截面溫度不均勻分布，都會使截面產生自平衡的溫度應力和構件彎曲變形。在火災荷載條件下，混凝土梁內部溫度場的分布，對構件能否繼續使用，將產生重大的影響，而有限元軟件的誕生，正好可以幫助研究者進行一系列的模擬分析，從而得出一系列有建設性的結論。

2 梁截面有限元模擬

2.1 單元選擇

本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照傳熱學相關原理模擬高溫下混凝土的熱工性能以及試驗的邊界條件，從而分析和計算構件內部溫度場的分布，由于混凝土梁長度遠遠大于寬度，所以可以采用二維平面熱傳導，來分析其截面的溫度場分布。本次建模選用PLANE55，假定梁截面寬度為200mm，高度為400mm，單元為平面熱單元，單元邊長取為10mm。

2.2 熱工參數

在本次ANSYS熱分析中，只考慮質量密度、比熱容、傳導率與換熱系數在溫度荷載作用下的變化，如圖1-圖4所示。

2.3 結果分析

由圖5混凝土梁截面不同時間點的溫度場云圖可以看出，隨著溫度的升高，由于熱傳導和輻射的綜合原因，構件截面溫度也在逐步的升高，從模擬途中可以看出，由于構件梁是三面受火，所以兩個側面和一個底面溫度是最高的，然后頂面溫度是最低的，大致呈U型分布。在構件梁底層受拉處兩個端點，即靠近受力鋼筋的地方溫度也是比較高的，也是工程中需要重點保護的位置，而鋼筋在500℃-600℃左右的時候，其力學性能將會發生巨大的變化，從而使構件梁承載力發生巨大的變化，從這一點可以看出，增加混凝土的保護層厚度是非常重要的。

3 梁實體有限元分析

3.1 單元選擇

（1）混凝土單元采用Solid70 3-D熱實體單元。該單元有8個節點且每個節點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導能力；（2）鋼筋單元采用Link33單元。該單元用于節點間的單軸熱傳導，在每個節點上只有一個溫度自由度。（3）此次模擬分析鋼筋和混凝土的組合方式選擇離散式模型。

3.2 結果分析

混凝土梁在熱分析過程中，熱工參數的選取等同于2.2節。不同時間點的溫度場云圖得知：隨著模擬時間的增長，構件內部溫度逐漸升高，兩個受拉區角部溫度最高，同樣呈現U型分布，而且混凝土梁內部任何一個截面的溫度分布趨勢與利用平面單元進行梁截面分析結果是一致的。

結語

混凝土梁在有限元熱分析中，實體單元節點數龐大，導致計算冗繁，給計算帶了困難，而采用一些與實際情況相一致的假設條件，可以利用平面單元進行簡化，從而可以利用混凝土梁的某一個截面來模擬其整體在火災荷載條件下，內部溫度場的分布情況，從而給計算帶來簡便。

參考文獻

[1]時旭東，過鎮海.鋼筋混凝土結構的溫度場[J].工程力學，1996，13（01）：35-43.

[2]劉慶.鋼筋混凝土簡支梁抗火性能的試驗研究[J].北京建筑工程學院， 2011.endprint