淺談高溫條件下混凝土短柱受力特點(diǎn)

楊宇

【摘要】本文利用ANSYS對(duì)圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱進(jìn)行溫度場(chǎng)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120min時(shí)，它的節(jié)點(diǎn)溫度仍低于其玻璃化轉(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(chǎng)；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；數(shù)值模擬

1、引言

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，引導(dǎo)了科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，成為科研探討中不可或缺工具。其中，計(jì)算機(jī)的模擬和仿真技術(shù)已經(jīng)成為火災(zāi)科學(xué)研究的重要手段。各種火災(zāi)模擬軟件也在不斷的涌現(xiàn)，比較有名的火災(zāi)模擬軟件有FDS和CFAST等。FDS（火災(zāi)動(dòng)力模擬）是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件，在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。FDS是一個(gè)由CFD（計(jì)算流體力學(xué)）分析程序開發(fā)出來的專門用于研究火災(zāi)煙氣傳播的模型，可以模擬三維空間內(nèi)空氣的溫度、速度和煙氣的流動(dòng)情況等。

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、高耐久性等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外土木工程界中被廣泛應(yīng)用[1]。但是，由于CFRP復(fù)合材料的耐火性能極差，因此CFRP在需要抗火設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用得到了限制。本文利用ANSYS對(duì)圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱的溫度場(chǎng)分布進(jìn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件中繼續(xù)發(fā)揮作用。

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-混凝土組合短柱的長(zhǎng)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(jìn)行溫度場(chǎng)分析過程中，CFRP采用三維4節(jié)點(diǎn)的 shell 3D 4 node57單元，混凝土及鋼材采用三維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)，取CFRP筒的厚度為0.167mm。CFRP采用Tri-Mapped網(wǎng)格劃分方式，混凝土和鋼管采用Quad-Sweep網(wǎng)格劃分方式，整個(gè)模型共劃分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；混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)采用Lie（1994）、Lie和（Chabot）（1990）給出的公式；混凝土的比熱容計(jì)算公式采用EC4（1994）所給出的普通混凝土的比熱容公式。對(duì)于CFRP材料熱工參數(shù)，暫采用Griffic等[6]早期對(duì)應(yīng)用于航天工業(yè)的一種CFRP材料進(jìn)行熱工參數(shù)測(cè)定的測(cè)定成果[3]。

考慮構(gòu)件內(nèi)部無熱源，熱輻射和熱對(duì)流同時(shí)存在于構(gòu)件表面。受火面對(duì)流換熱系數(shù) 取25W/（m·℃），綜合輻射系數(shù) 取0.7，初始條件為所有節(jié)點(diǎn)的溫度為20℃，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO-834火災(zāi)升溫曲線對(duì)組合短柱進(jìn)行升溫，升溫時(shí)間為120min，時(shí)間步長(zhǎng)為1min。圖3-3為組合短柱觀測(cè)點(diǎn)布置圖，其中：觀測(cè)點(diǎn)1是距圓心400mm處，觀察點(diǎn)2是距圓心388mm處，觀測(cè)點(diǎn)3是距圓心294mm處，觀測(cè)點(diǎn)4是距圓心202mm處。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

從圖2-2中可以看出由于鋼材具有較高的熱傳導(dǎo)性，因此鋼管在高溫環(huán)境下升溫較快，鋼管最外側(cè)節(jié)點(diǎn)上的溫度在6～9min內(nèi)就達(dá)到了600℃以上（當(dāng)t=10min時(shí)，節(jié)點(diǎn)溫度T=678.4273℃），不到30min鋼管的溫度就達(dá)到了800℃以上。此后，鋼管節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)t=120min時(shí)，鋼管外側(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度與ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線在此刻的溫度基本相同。混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，故其節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化升溫比較緩慢。CFRP筒的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化升溫也比較緩慢，當(dāng)t=120min時(shí)，CFRP大部分節(jié)點(diǎn)的溫度處于196.45℃。

一般樹脂基碳纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在100℃～200℃左右，而耐高溫樹脂基碳纖維的玻璃化轉(zhuǎn)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(fù)合材料，則根據(jù)樹脂基種類的不同，CFRP失效的時(shí)間也在45min以上（當(dāng)t=45min時(shí)，CFRP筒的節(jié)點(diǎn)溫度為98.753℃）。若CFRP筒采用耐高溫樹脂基碳纖維復(fù)合材料，則在120min內(nèi)CFRP筒的節(jié)點(diǎn)溫度均低于它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，故CFRP仍能繼續(xù)發(fā)揮作用。

結(jié)語：

本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)圓截面鋼-CFRP-混凝土組合短柱截面溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，其結(jié)果清晰、直觀地反應(yīng)了構(gòu)件截面的溫度隨時(shí)間變化的情況，并將CFRP筒的節(jié)點(diǎn)溫度與它的玻璃化溫度進(jìn)行了對(duì)比，從而確定了高溫下CFRP材料在組合柱中發(fā)揮作用的時(shí)間，為深入研究此類構(gòu)件的耐火性能奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為進(jìn)一步研究其高溫下的力學(xué)性能及耐火極限創(chuàng)造條件。