淺談高溫條件下混凝土短柱受力特點

文/楊宇 遼寧省建筑設計研究院有限責任公司 遼寧沈陽 110005

1、引言

近年來，計算機技術的蓬勃發展，引導了科學研究的各個領域，成為科研探討中不可或缺工具。其中，計算機的模擬和仿真技術已經成為火災科學研究的重要手段。各種火災模擬軟件也在不斷的涌現，比較有名的火災模擬軟件有FDS和CFAST等。FDS（火災動力模擬）是由美國國家標準局建筑火災研究實驗室開發的基于場模擬的火災模擬軟件，在火災安全工程領域中應用十分廣泛。FDS是一個由CFD（計算流體力學）分析程序開發出來的專門用于研究火災煙氣傳播的模型，可以模擬三維空間內空氣的溫度、速度和煙氣的流動情況等。

CFRP復合材料因其具有輕質高強、熱膨脹系數低、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、無磁、高耐久性等優點，在國內外土木工程界中被廣泛應用[1]。但是，由于CFRP復合材料的耐火性能極差，因此CFRP在需要抗火設計的建筑結構中的應用得到了限制。本文利用ANSYS對圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱的溫度場分布進行分析，將CFRP材料置于混凝土中，可以有效地延緩CFRP的升溫，使其在結構構件中繼續發揮作用。

2、圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱數值模擬分析

2.1　建模及計算

設圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱的長為3000mm，核心混凝土的直徑為400mm，CFRP筒的厚度為0.167mm，鋼管外徑為800mm，鋼管壁厚為12mm。

利用ANSYS進行溫度場分析過程中，CFRP采用三維4節點的 shell 3D 4 node57單元，混凝土及鋼材采用三維8節點的 solid Brick 8 node 70單元，同時為Shell 57單元定義實常數，取CFRP筒的厚度為0.167mm。CFRP采用Tri-Mapped網格劃分方式，混凝土和鋼管采用Quad-Sweep網格劃分方式，整個模型共劃分28200個單元。

鋼材的熱傳導系數、比熱容采用Lie(1994)[2]、Lie和(Chabot)(1990)給出的公式；混凝土的熱傳導系數采用Lie(1994)、Lie和(Chabot)(1990)給出的公式；混凝土的比熱容計算公式采用EC4(1994)所給出的普通混凝土的比熱容公式。對于CFRP材料熱工參數，暫采用Griffic等[6]早期對應用于航天工業的一種CFRP材料進行熱工參數測定的測定成果[3]。

考慮構件內部無熱源，熱輻射和熱對流同時存在于構件表面。受火面對流換熱系數 取25W/(m·℃)，綜合輻射系數 取0.7，初始條件為所有節點的溫度為20℃，采用國際標準ISO-834火災升溫曲線對組合短柱進行升溫，升溫時間為120min，時間步長為1min。圖3-3為組合短柱觀測點布置圖，其中：觀測點1是距圓心400mm處，觀察點2是距圓心388mm處，觀測點3是距圓心294mm處，觀測點4是距圓心202mm處。

圖2-1　圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱截面觀測點布置圖

2.2　數值模擬結果分析

圖2-2為各觀測點隨時間變化的溫度曲線圖。

圖2-2　各觀測點的溫度—時間關系曲線

從圖2-2中可以看出由于鋼材具有較高的熱傳導性，因此鋼管在高溫環境下升溫較快，鋼管最外側節點上的溫度在6～9min內就達到了600℃以上(當t=10min時，節點溫度T=678.4273℃)，不到30min鋼管的溫度就達到了800℃以上。此后，鋼管節點的溫度隨時間變化緩慢增長，當t=120min時，鋼管外側節點的溫度與ISO-834標準升溫曲線在此刻的溫度基本相同。混凝土的熱傳導系數較低，故其節點隨時間變化升溫比較緩慢。CFRP筒的節點隨時間變化升溫也比較緩慢，當t=120min時，CFRP大部分節點的溫度處于196.45℃。

一般樹脂基碳纖維的玻璃化轉變溫度在100℃～200℃左右，而耐高溫樹脂基碳纖維的玻璃化轉變溫度可在200℃～300℃之間[4]。就本文模擬而言，若CFRP筒采用一般樹脂基碳纖維復合材料，則根據樹脂基種類的不同，CFRP失效的時間也在45min以上(當t=45min時，CFRP筒的節點溫度為98.753℃)。若CFRP筒采用耐高溫樹脂基碳纖維復合材料，則在120min內CFRP筒的節點溫度均低于它的玻璃化轉變溫度，故CFRP仍能繼續發揮作用。

結語：

本文利用ANSYS有限元分析軟件對圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱截面溫度場進行了分析，其結果清晰、直觀地反應了構件截面的溫度隨時間變化的情況，并將CFRP筒的節點溫度與它的玻璃化溫度進行了對比，從而確定了高溫下CFRP材料在組合柱中發揮作用的時間，為深入研究此類構件的耐火性能奠定了基礎，同時也為進一步研究其高溫下的力學性能及耐火極限創造條件。