火災作用下鋼筋混凝土梁溫度場特征分析

劉子建 趙 俁

(1.揚州市消防救援支隊，江蘇 揚州 252001； 2.江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

1 概述

隨著國家基建工程的快速發展，土建技術水平的不斷提升，城市中高層、超高層建筑、大型綜合體不斷涌現，建筑密度之大，使其安全性能及其防災減災受到越來越多的關注。近年來，火災起數呈現逐年增長的趨勢，城市高密度建筑的防火要求也隨之提高。鋼筋及混凝土材料是常見的熱惰性材料，在火災作用下材料溫度顯著升高，使得材料發生劣化現象，從而使得相應的建筑結構出現薄弱節點，影響建筑的安全性[1]。消防指戰員在進行火情偵察、滅火救援、火災調查等作戰任務時，需要進入正在燃燒或燃燒后的建筑物內搶救人民生命財產、熟悉火場情況，而在火災作用下，梁、板、柱等建筑物構件的溫度會急劇升高，由此導致的結構強度大幅降低會對消防指戰員的安全帶來巨大的風險。多次火災表明，一旦建筑的梁或柱等重要結構發生材料劣化，或者出現薄弱節點，則直接影響整個建筑的安全性，導致嚴重的人員傷亡和經濟損失。這也說明提高建筑結構的防火性能刻不容緩，對鋼筋混凝土結構火災作用下的溫度場研究，對消防領域內的滅火、防火工作具有極其重要的理論研究與實踐的意義。

目前，關于建筑重要結構在火災作用下的溫度變化分析，已經有不少研究成果。陸洲導等[2]利用數值模擬的方法研究了混凝土柱在環境溫度增加的情況下柱體溫度的變化規律，且給出了相應的程序結果。楊華等[3]分析了混凝土柱隨之外界溫度增加的溫度場分布，并且展開討論了不同因素影響下柱截面的溫度分布規律。

本文利用Abaqus有限元分析軟件，建立了鋼筋混凝土梁受火時的計算模型，探討保護層厚度與非膨脹性防火涂料厚度對鋼筋及混凝土溫度場的影響。

2 鋼筋混凝土梁受火模型

2.1 熱傳導方程

當鋼筋混凝土梁受到火災作用時，相應的鋼筋和混凝土材料的熱工參數會隨著溫度的變化而改變，即為溫度的函數。因此，火災作用下，鋼筋和混凝土對熱的傳遞都是考慮瞬時溫度，因為不同時刻溫度的參數不同。本文中，相應材料的熱傳導方程滿足常規的傅里葉定律，具體見式(1)：

(1)

2.2 溫升曲線

實際中，火災作用下溫度變化的規律較為復雜，很難用簡單的數學模型來表達，目前應用比較廣泛的是國標ISO—834標準升溫曲線，相應的表達式如式(2)所示：

T=T0+345lg(8t+1)

(2)

2.3 模型相關參數

1)混凝土和鋼筋的熱工性能。混凝土熱工性能：其在溫度增加的情況下，熱傳導系數的采用根據文獻[4]中的表達式。高溫下，混凝土比熱的表達式采用的是歐洲規范，參見文獻[5]，另外，混凝土密度取值為ρc=2 500 kg/m3；鋼筋熱工性能：其在溫度增加的情況下，熱傳導系數的采用仍是文獻[4]中的表達式。高溫下鋼筋比熱表達式參照的是歐洲規范,參見文獻[6]，鋼筋密度取值為ρs=7 800 kg/m3；厚涂型防火涂料熱工性能：高溫下厚涂型防火涂料采用的熱傳導系數、比熱容等詳細參見文獻[7],防火涂料的密度取值為ρf=240 kg/m3。

2)單元類型與界面參數選取。混凝土采用實體熱分析單元(DC3D8)，鋼筋采用傳熱連接單元(DC1D2)，網格采用結構化技術劃分，以5 mm一個網格；鋼筋與混凝土之間采用綁定(tie)；構件表面熱輻射系數ε=0.5，綜合換熱系數h=25 W/(m2·K)，初始溫度為20 ℃。

3)加熱方式。所有鋼筋混凝土構件均采用三面受火的形式，采用國際標準溫升曲線ISO—834模擬火災發生后對梁的三個面進行加熱，持續時間為3 h。

2.4 鋼筋混凝土梁受火模型

本次模擬B1～B4四個鋼筋混凝土梁工況，如表1所示。梁截面尺寸為150 mm×300 mm，長度為3 600 mm；上部縱筋直徑為16 mm，間距為900 mm；下部縱筋直徑為18 mm，間距為450 mm；箍筋直徑為6 mm，間距為200 mm。

表1 鋼筋混凝土梁模型工況

3 計算結果分析

3.1 不同保護層厚度條件下鋼筋溫度場

圖1顯示了不同保護層厚度下，鋼筋的溫度變化。由圖1可知，保護層厚度增加，可顯著降低鋼筋的溫度，且離受火面越遠的鋼筋，影響的程度越大。當保護層厚度增加一倍時，近受火面的受拉鋼筋溫度減小約30.5%,遠離受火面的受壓鋼筋溫度減小約52.5%。當保護層厚度較小時，如150 mm時，遠離受火及靠近受火面的鋼筋溫度差異不大。另一方面，當保護層厚度較小時，鋼筋隨受火時間的增加升溫曲線呈現出抖升狀態，即短時間內溫度迅速增加，隨之很快趨于平穩。反之，隨著混凝土保護層厚度的增加，鋼筋升溫曲線越緩，隨著時間的增加，鋼筋溫度呈現逐步上升的趨勢。

3.2 不同厚度防火涂料下的鋼筋溫度場

圖2為混凝土保護層厚度不變時不同涂料厚度情況下，鋼筋的溫度變化。由圖2可知，無防火涂料時，鋼筋的溫度呈現抖升現象，且短時間內立刻趨于平穩線。相同條件下，涂抹防火涂料時鋼筋的溫度比無防火涂料的情況下顯著降低，降低值約為42%，且增加防火涂料后，鋼筋的溫度變化曲線變得平緩增加。但防火涂料的厚度變化對溫度降低的影響程度不大，當涂料層厚度增加一倍時，近受火面的受拉鋼筋溫度降低僅約5.8%，這也說明，防火涂料的有無影響很大，但防火涂料的厚度影響并非那么顯著。此外，遠離受火面的受壓鋼筋溫度反而略顯增加，這是由于防火涂料對受火面存在一個明顯的隔火作用，從而使得溫度向著背火面爬升。

3.3 不同厚度防火涂料下混凝土溫度場

圖3為不同防火涂料厚度下混凝土(中截面中心處)的溫度變化。由圖3可知，涂抹防火涂料可較大幅度地降低混凝土的溫度，降低幅度達56.4%，相比圖2而言，防火涂料對混凝土起的作用要高于對鋼筋的作用。因此，涂抹防火涂料仍可以較大程度地提高鋼筋混凝土梁的防火性能。隨著防火涂料厚度的增加，混凝土溫度繼續降低，但降低的幅度不大，僅為16.9%。這也說明，防火涂料的有無對鋼筋混凝土梁的防火性能影響很大，但其厚度增加帶來的梁溫度變化并不顯著。

4 結論

基于本文鋼筋混凝土梁三面受火的模型可知，在涂抹防火涂料及增加混凝土保護層厚度的情況下，均能提高梁的防火性能。得到的結論主要有以下四個方面：

1)提高鋼筋混凝土梁的保護層厚度，可以有效減少受拉(壓)鋼筋的溫升幅度，對靠近受火面的受拉鋼筋作用更為明顯。當混凝土保護層厚度增加一倍時，近受火面的受拉鋼筋溫度降低約52.5%，遠離受火面的受壓鋼筋溫度降低約30.5%。2)涂抹防火材料時可有效減少鋼筋的溫升幅度，減少幅度達約42%。當防火涂料的厚度增加一倍時，同等受火條件下鋼筋的溫度繼續降低，但降低的幅度不大。3)涂抹防火材料時可有效減少混凝土的溫升幅度，減少幅度與防火涂料的厚度有關。提高鋼筋混凝土表面防火涂料厚度，可以有效減少混凝土中心界面的溫升幅度，在提高一倍保護層厚度的情況下，溫度減少了16.9%。4)從溫度變化幅度及經濟實用角度出發，增加混凝土保護層厚度，對提升鋼筋混凝土梁的受火性能更為合理。