高溫火災條件下混凝土的熱傳導數值模擬分析

姚金偉徐建波

（1.浙江工商職業技術學院，浙江 寧波 315012；2.浙江中冠房地產開發有限公司，浙江 杭州312002）

高溫火災條件下混凝土的熱傳導數值模擬分析

姚金偉1徐建波2

（1.浙江工商職業技術學院，浙江 寧波 315012；2.浙江中冠房地產開發有限公司，浙江 杭州312002）

文章研究了高溫條件下混凝土圓桿在一維方向上溫度傳播的數值模擬問題。文中給出了混凝土圓桿在受到瞬時高溫條件下的熱傳導方程，借助有限元軟件（ANSYSY）對控制方程進行求解。計算得到了一維混凝土熱量傳播及溫度的分布規律，從其整個溫度傳播過程中可以看出，高溫條件下熱傳導初期混凝土在縱向方向上存在較大的溫度梯度差現象，且在初始階段的加熱段附近可能會存在熱波現象。

混凝土圓桿；有限元；溫度梯度；熱波

混凝土作為最為重要的建筑材料之一，在近100年多的歷史中廣泛地被用于建筑工程的各個領域。雖然對于混凝土本身而言，它具有不燃燒性、導熱系數低等的優點，但是在其長期服役過程中混凝土結構本身可能面臨火災的威脅。隨著火災的發生其結構的溫度會迅速增高，不但混凝土自身將發生物理、化學的變化, 而且高溫作用下還會使鋼筋和混凝土材料的力學性能發生很大的變化，最終導致其結構性能的嚴重劣化，從而影響到整個鋼筋混凝土結構的穩定性與耐久性。而要確定混凝土結構在火災條件下的溫度場分布是進行火災下力學反應分析的前提。因此，為了分析高溫下混凝土結構的強度、彈性模量、變形和損傷等的變化規律，確定結構的火災受損程度和其他抗火性能研究，必須首先確定混凝土結構在高溫下其溫度場的分布情況。

本文主要介紹混凝土結構在高溫火災下的溫度場隨時間變化的分布規律，找出其在高溫下與熱傳導過程有關特殊現象（如非傅里葉導熱效應等），也可為工程技術人員和科研人員在設計、研究、以及處理火災事故等情況下提供參考。

1 物理模型

文中采用的數值模型為：取混凝土強度等級為C25（各項試驗參數見下表），其幾何形狀為直徑為100mm，長度為750mm的圓柱體形狀。試驗過程中，混凝土圓桿的一端施加1000℃的高溫，圓桿其他部位置于常溫環境下（25℃），來研究其熱力學性質及其溫度場隨時間的分布情況。

本次試驗采用ANSYSY軟件進行數值分析，用三維六面體實體單元SOLID 70來模擬混凝土圓桿，溫度單位為℃。在有限元分析過程中，取前18分鐘（1080s）的混凝土桿件溫度分布情況，來分析在加熱過程中混凝土的溫度變化規律。由于結構的對稱性，只需要分析1/4模型即可（如圖）。

表1 C25混凝土計算使用參數

圖1 幾何形狀

圖2 有限元模型

2 計算方法

其中，T為溫度，t為時間，τ為松弛時間，a=k/ρcv是熱擴散率，k為熱導率，ρ為物體的密度，cv為物體的定容比熱。

3 模擬結果

在有限元分析過程中，本文取前18分鐘（1080s）的混凝土桿件溫度分布情況。圖3-9是在加熱過程中混凝土圓桿縱向軸線上各點的溫度變化曲線圖。

圖3 36s時溫度分布云圖

圖4 36s時沿軸向溫度分布圖

圖3、4 為升溫過程中36s時混凝土圓桿在縱向不同長度上的溫度變化曲線。由圖可見，此時在混凝土加熱段的表面溫度達到300℃附近，而桿件中間及另一端的溫度只有25℃左右，在混凝土圓桿的前1/8段存在較大的溫度梯度差。

圖5 432s時溫度分布云圖

圖6 432s時沿軸向溫度分布圖

圖5、6為升溫過程中432s時混凝土圓桿在縱向不同長度上的溫度變化曲線。由圖可見，此時在混凝土加熱段的表面溫度達到550℃附近，而桿件中間段上達到近200℃溫度，桿件的另一端的溫度只有近30℃左右，在混凝土圓桿的前1/2段存在較大的溫度梯度差，但比之前的溫度梯度差要小很多，且要均勻的多。

圖7 864s時溫度分布云圖

圖8 864s時沿軸向溫度分布圖

圖7、8為升溫過程中864s時混凝土圓桿在縱向不同長度上的溫度變化曲線。由圖可見，此時在混凝土加熱段的表面溫度達到700℃附近，而桿件中間段上也達到了近350℃溫度，桿件的另一端的溫度有近100℃左右，整個混凝土圓桿上都存在著溫度梯度差，但比之前的溫度梯度差要均勻的多、平緩的多。

圖9 1080s內的混凝土圓桿兩端及中點的溫度變化曲線

圖9 為混凝土圓桿在兩個端點和一個中點處的溫度隨時間變化曲線，在加熱段附近的溫度初始階段變化較大，存在很大的溫度梯度變化（極易會產生熱波現象），中點和遠端處的溫度在之前200s內幾乎保持不變，表明熱量還沒有傳播到此處，在之后過程中兩點出的溫度發生升高，但升高的速度不一。直到1080s以后三個點的溫度變化曲率趨于一致，表面熱傳導過程逐漸穩定下來。

4 結論

（1）基于有限元模擬軟件ANSYS 對強度等級為C25的混凝土圓桿在高溫火災條件下進行了溫度場分析，得出了其混凝土結構在高溫火災條件下的溫度場分布規律，可為混凝土結構在高溫火災條件下進行內力、強度、彈性模量、變形和損傷等分析提供了基礎；同時，由模擬結果可知，高溫條件下熱傳導初期混凝土在縱向方向上存在較大的溫度梯度差現象，對結構本身會存在較大的性能上的影響。

（2）混凝土結構在高溫火災條件下的溫度場分布規律為熱傳導初期在100s以內在加熱段附近的溫度變化較大，存在很大的溫度梯度，其他地方基本沒有發生溫度的變化；在100s-1000s之間混凝土結構各個部分發生了溫度的變化，但變化的幅度不一；直到1000s以后三個點的溫度變化曲率趨于一致，表面熱傳導過程逐漸穩定下來。

（3）高溫火災條件下混凝土在熱傳導過程中的存在非傅里葉導熱效應現象，此現象主要表現在整個熱傳導過程中的開始（初期）階段，且熱波現象會出現在加熱段附近。

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Numerical Simulation Analysis of thermal conductivity of concrete under high temperature fire conditions

This paper studies the problem of numerical simulation of concrete under high temperature conditions, round bar in one dimension temperature spread. This paper presents a concrete round rod at high temperature conditions by transient heat conduction equation, using the finite element software (ANSYSY) to solve equations. Calculated the distribution of one-dimensional propagation of heat and temperature of the concrete, from the whole communication process temperature can be seen, a large temperature gradient difference early concrete heat conduction phenomenon under high temperature conditions exist in the longitudinal direction, and heated in the initial stage of segment may exist near heat wave phenomenon.

Concrete round bar; FEM; temperature gradient; heat wave

TU528

A

1008-1151(2015)03-0047-03

2015-02-12

浙江省教育廳科研項目“瞬態熱傳導過程中混凝土結構的非傅里葉導熱效應研究”（Y201329679）；浙江省重中之重學科開放基金項目“熱波在混凝土中的傳播”(Zj1209)。

姚金偉（1981－），男，浙江德清人，浙江工商職業技術學院講師，在讀博士，研究方向為混凝土斷裂性能和耐久性等。