鋼筋混凝土空心板火災反應研究

陳　濤　　柯衛峰

(1．中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢　430034; 2．橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北武漢　430034;　3．中鐵大橋局集團有限公司，湖北武漢　430050)

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鋼筋混凝土空心板火災反應研究

陳濤1，2柯衛峰3

(1．中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢430034; 2．橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北武漢430034;3．中鐵大橋局集團有限公司，湖北武漢430050)

摘要:介紹了某簡支空心板橋的結構特征，通過選取計算參數，建立了ABAQUS有限元模型，模擬分析了空心板在火災下的溫度場及承載力，得出了一些有價值的結論。

關鍵詞:空心板梁，火災，溫度場，承載力，ABAQUS

0　引言

國內學者對結構火災研究多集中于建筑結構上，橋梁結構的火災研究較少。陸洲導等［1］研究采用碳纖維和預應力加固火災后的框架承載力與剛度。董毓利等［2］在規范的抗剪計算承載力計算式的基礎上提出CFRP布加固受火后混凝土受剪承載力計算式。韓重慶等［3］研究2跨鋼筋混凝土T形截面連續梁在不同荷載條件下的耐火極限。張崗等［4］研究了局部火災下混凝土箱梁懸臂板的變形與有效分布寬度。陸洲導等［5］通過與常溫未受火鋼筋混凝土連續梁的對比，分析了火災后鋼筋混凝土連續梁的性能劣化。本文以某橋空心板為例，計算其在火災下的結構溫度場，進而分析火災后橋梁的承載力與剛度的損失情況。

1　計算結構及參數

1．1空心板結構

本文所計算資料為某簡支鋼筋混凝土空心板梁。空心板橋橋長11．96 m，計算跨徑11．6 m，混凝土等級C30，抗壓設計強度13．8 MPa，抗拉設計強度1．39 MPa;底板受拉主筋型號為HRB335，抗拉設計強度280 MPa，底板鋼筋數量12Φ20，跨中截面配筋圖見圖1。

圖1　跨中截面配筋圖（單位：mm）

1．2計算參數

1)熱傳遞理論。熱傳遞有4種形式［6］:導熱、對流傳熱、輻射傳熱、傳熱過程。導熱和對流是最早被人們發現的，熱輻射則是在1803年發現紅外線才發現的。

導熱方程:

其中，λ為熱傳導率，W/(m·℃)。

對流傳熱方程:

其中，h為熱傳遞系數，W/(m2·℃)。

輻射傳熱方程:

其中，σ為玻耳茲曼常量，取5．67×10－8W/(m2·K4)。

傳熱過程:

其中，h為熱傳遞系數，W/(m2·℃)。

熱傳遞系數沒有統一的規定，主要原因是影響熱交換的因素極其復雜［7］。當混凝土與空氣接觸時，放熱系數［8］h= 40 kJ/(m2·h·℃)～88 kJ/(m2·h·℃)。固體表面在空氣中的放熱系數的數值通常可以用以下兩式計算:

粗糙表面:h=23．9+14．50V，kJ/(m2·h·℃);光滑表面: h=21．8+13．53V，其中，V為風速，m/s。

結合文獻［8］并根據空心板的特點，本文熱傳遞系數取:底板:13．57 W/(m2·℃)，頂板與腹板:1．96 W/(m2·℃)。

2)溫升曲線。國內外對結構的火災實驗及數值模擬通常采用

升溫段(t≤th):

降溫段(t＞th):

其中，T0為初始溫度，一般在5℃ ～40℃范圍內;t為火災持續時間，min;T為火災t時刻溫度，℃。

3)材料熱參數。混凝土與鋼筋的熱參數按文獻［11］～［13］計算，計算所得到的結果列于表1，表2中。

表1　材料熱參數

表2　材料高溫后熱力參數

2　溫度場及承載力分析

2．1溫度場分析

利用ABAQUS有限元軟件對空心板火災下的響應進行模擬，ISO 834標準溫升曲線來模擬火災，火災作用范圍為空心板跨中2 m的區間內，示意圖如圖2所示，考慮火災持續100 min。

圖2　空心板火災計算圖（單位：mm）

經過100 min的火作用后，空心板跨中處溫度場如圖3所示。其中底板邊界處溫度為960℃，底板受拉處鋼筋溫度為400℃。空心板受溫度影響的高度為15 cm。

選取距受火底板距離為H=0 mm，28 mm，50 mm(受拉鋼筋附近)，75 mm，100 mm處的位置進行研究。各點溫度隨時間變化曲線圖如圖4所示，由圖可以發現:

1)100 min時距火災面H=0 mm，H=28 mm，H=50 mm，H= 75 mm，H=100 mm處的溫度分別為958℃，580℃，389℃，215℃，181℃;2)H=0 mm處的溫度變化速率較快，100 min后最高溫度為958℃，距離火源越遠溫度變化越慢，H=100 mm處的最高溫度為181℃;3)H=50 mm處的受拉鋼筋最高溫度為400℃左右;4)當混凝土溫度大于800℃時混凝土已破碎。由圖4并結合圖3可以看出距混凝土表面2 cm左右的混凝土已破碎; 5)非受火且離受火面越遠區域的混凝土溫度保持在常溫。

圖3　空心板溫度場（單位：℃）

圖4　不同深度混凝土溫度變化曲線

2．2火災后承載力分析

當結構受火后，混凝土與鋼筋的力學性能必然會發生變化，此時結構的極限承載能力會降低，為研究空板火災后的極限承載力，在空心板上作用40 kN/m2的均布面荷載，分析空心板火災100 min前后結構受力情況。

圖5　火災前后跨中荷載—位移圖

根據圖5計算曲線得到火災前后結構承載力與位移值，列于表3中。由表3知火災前空心板極限承載力荷載為33．4 kN/m2，火災后極限承載力荷載為27．5 kN/m2，空心板受彎極限承載力下降17．7%;火災前在極限荷載下跨中位移為－53．4 mm，火災后極限荷載下跨中位移為－59．3 mm;火災前一階頻率為6．697 8 Hz，火災后一階頻率為6．340 8 Hz。為了方便比較火災前后橋梁跨中剛度變化情況，以圖5中承載力下的曲線切線斜率表示跨中剛度，火災前曲線斜率為0．625，火災后為0．464，則火災后橋梁剛度較火災前下降25．8%。

表3　火災前后極限承載力與位移值

3　結語

經研究表明:1)火災100 min時，混凝土最高溫度為960℃，火災影響高度為15 cm;受拉鋼筋最高溫度為400℃左右;距混凝土表面2 cm左右的混凝土已破碎;2)火災后的空心板受彎極限承載力比火災前下降17．7%;火災后橋梁跨中剛度較火災前下降25．8%，說明100 min后的結構剛度損失較大。

參考文獻:

［1］ 陸洲導，王李果，李剛．采用不同材料加固受火后預應力混凝土框架的試驗研究［J］．土木工程學報，2004，37(4): 99-103．

［2］ 徐玉野，彭小麗，董毓利，等．火后CFRP布加固鋼筋混凝土梁受剪性能試驗研究［J］．建筑結構學報，2015，36(2):123-132．

［3］ 韓重慶，許清風，劉橋，等．鋼筋混凝土T形截面連續梁耐火性能試驗研究及有限元分析［J］．建筑結構學報，2015，36 (2):142-150．

［4］ 張崗，賀拴海，王翠娟．局部火災下混凝土箱梁懸臂板變形與有效分布寬度［J］．長安大學學報(自然科學版)，2015，35(1):68-75．

［5］陸洲導，柴繼鋒，余江滔．火災后鋼筋混凝土連續梁力學性能的計算分析［J］．同濟大學學報(自然科學版)，2015，43 (1):16-26．

［6］楊世銘，陶文銓．傳熱學［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［7］ 劉照球．混凝土結構表面對流換熱研究［D］．上海:同濟大學碩士學位論文，2006．

［8］ 朱伯芳．大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］．北京:中國水利出版社，2012．

［9］International Standard ISO834，Fire-Resistance Tests-Elements of Building Construction［S］．

［10］GB/T 9978．1—2008，建筑構件耐火試驗方法第1部分通用要求［S］．

［11］ 吳波．火災后鋼筋混凝土結構的力學性能［M］．北京:科學出版社，2003．

［12］Eurocode 2 Design of concrete structures part1．general rulesstructural fire design［S］．

［13］ 過鎮海，時旭東．鋼筋混凝土的高溫性能及其計算［M］．北京:清華大學出版社，2003．

中圖分類號:TU375．2

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0036-03

收稿日期:2016-04-06

作者簡介:陳濤(1984-)，男，碩士，工程師ISO 834標準溫升曲線，表達式為［9，10］:

Fire reaction for the reinforced concrete hollow slab

Chen Tao1，2Ke Weifeng3

(1．Bridge Science Research Institute Ltd China Zhongtie Major Bridge，Wuhan 430034，China;2．State Key Laboratory of Bridge Structure Health and Safety，Wuhan 430034;3．China Railway Major Bridge Engineering Group Co．，Ltd，Wuhan 430050，China)

Abstract:The paper introduces the structural features of some barrel-supported hollow slab，establishes the ABAQUS finite element model by selecting the calculation parameter，simulates the temperature field and loading capacity of the hollow slab in fire accidents，and achieves some valuable conclusion．

Key words:hollow slab，fire accident，temperature field，loading capacity，ABAQUS