火災(zāi)下鋼筋混凝土梁ABAQUS有限元分析

吳凱，楊志年 （華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210）

1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)憑借耐久性和整體性較好，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中。但近些年來，房屋著火事件不斷上升，不僅使房屋結(jié)構(gòu)倒塌破壞，還給人帶來嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的研究刻不容緩。文獻(xiàn)[1]模擬鋼筋混凝土梁受火面作為變量情況下，分析了梁截面溫度場分布以及截面測點(diǎn)溫度變化的異同。文獻(xiàn)[2]研究了梁初始損傷的情況下，進(jìn)一步對(duì)火災(zāi)下鋼筋混凝土梁截面溫度和承載力產(chǎn)生的不良影響。文獻(xiàn)[3]對(duì)比了火山渣和普通混凝土梁不同時(shí)刻梁截面溫度變化以及截面測點(diǎn)的升溫曲線。

火山渣混凝土具有更好的耐火作用。文獻(xiàn)[4]利用ABAQUS有限元軟件，通過普通混凝土簡支梁在火災(zāi)下跨中撓度、梁底跨中拉應(yīng)力與溫度的關(guān)系，分析了普通混凝土構(gòu)件的耐火性能。

本文通過梁在火災(zāi)下的有限元模擬，對(duì)梁截面溫度以及梁在熱力耦合作用下跨中撓度的變化情況進(jìn)行分析。

①溫度場分析：通過ABAQUS軟件，模擬火災(zāi)下鋼筋混凝土梁受火溫度場的分布。布置混凝土截面各測點(diǎn)，分析各測點(diǎn)的溫度變化情況。

②熱力耦合分析：選擇合理的材料參數(shù)與本構(gòu)，利用ABAQUS軟件將溫度場與力場進(jìn)行耦合分析。通過觀察各時(shí)間階段，鋼筋混凝土梁在火災(zāi)下跨中豎向變形的情況，分析梁在火災(zāi)下的耐火行為以及耐火極限。

2 有限元模型的建立

模擬火災(zāi)下鋼筋混凝土梁通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種傳熱途徑進(jìn)行傳熱分析。梁進(jìn)行三面升溫如圖1所示。根據(jù)ISO-834曲線升溫3h，梁整體網(wǎng)格劃分如圖2所示。鋼筋和混凝土的比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)按EC4[4]取值，本構(gòu)關(guān)系按T.T.Lie[5]取值。

圖1 梁受火截面

圖2 整體網(wǎng)格劃分模型

3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[6]，梁鋼筋布置及尺寸設(shè)計(jì)如圖3所示，C30強(qiáng)度混凝土，20mm厚的鋼筋保護(hù)層。支座邊界條件為兩端簡支。墊塊尺寸為225mm×200mm×100mm。

圖3 截面及梁設(shè)計(jì)詳圖

4 梁溫度場分布

4.1 鋼筋和混凝土溫度場

進(jìn)行溫度場的模擬時(shí)，鋼筋混凝土梁正、背面，底面三面受火面賦予表面熱輻射和熱交換邊界條件，輻射系數(shù)取0.5，換熱系數(shù)取 25W/(m2·K)。鋼筋與混凝土、混凝土與墊塊之間均建立tie約束條件，將兩部分區(qū)域綁定在一起，不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。環(huán)境初始溫度為20℃，加熱過程依據(jù)ISO-834升溫曲線。網(wǎng)格劃分鋼筋使用DC1D2傳熱單元，墊塊和混凝土使用DC3D8實(shí)體熱分析單元。

ABAQUS模擬三面受火下鋼筋和混凝土的溫度場分別如圖4、如圖5所示，混凝土受火面表面溫度較高，最高溫度達(dá)到1104℃，鋼筋最高溫度分布在梁底受拉縱筋處為1028℃。

圖4 混凝土溫度場

圖5 鋼筋溫度場

4.2 混凝土截面及測點(diǎn)溫度

如圖6所示，選取梁的跨中截面，在火災(zāi)升溫的不同時(shí)刻，可以看出溫度場呈U型分布，受火面溫度較高，向截面內(nèi)部溫度下降幅度依次遞減。梁截面下部左右拐角處同時(shí)受梁底、梁—正（背）面火焰輻射，溫升比較快，最大溫度為1104℃?；炷潦菬岫栊圆牧?，截面內(nèi)部傳熱比較慢，梁背火面頂部最大溫度為418℃。

在圖6中 t=10800s，選取8個(gè)溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖7所示，圖8為各測點(diǎn)升溫曲線，升溫一開始0～30min，測點(diǎn)1、2由于表面熱輻射溫度呈線性升高。截面內(nèi)部測點(diǎn)由于需要一定時(shí)間的熱傳導(dǎo)，溫升相對(duì)較慢。30min～80min，受火表面溫升遲緩，截面內(nèi)部溫升較快。80min后，熱傳速率趨于穩(wěn)定，溫度均隨時(shí)間緩慢增長。

圖6 不同時(shí)刻混凝土溫度場分布

圖7 梁截面測點(diǎn)位置布置

圖8 截面各測點(diǎn)溫度曲線

由梁截面同一縱向測點(diǎn)（1、3、5、7或2、4、6、8）可以看出，縱向由梁底向上每隔100mm兩測點(diǎn)溫差依次逐漸減小，測點(diǎn)1、3（測點(diǎn)2、4）之間溫度相差接近500℃，測點(diǎn)3、5（測點(diǎn)4、6）之間溫度相差約100℃。這是由于混凝土近火面溫度梯度較高，內(nèi)部熱傳速率較低導(dǎo)致的。梁截面距右端面50mm測點(diǎn)4、6、8由于同時(shí)靠近兩受火面，溫度均比截面中部測點(diǎn)3、5、7高100℃左右。溫升也相對(duì)較快。

5 熱力耦合分析

進(jìn)行熱力耦合分析時(shí)，按抗火設(shè)計(jì)施加梁跨中集中荷載56kN，鋼筋和混凝土使用內(nèi)置區(qū)域連接。鋼筋采用T3D2桁架單元，混凝土和墊塊采用C3D8R三維實(shí)體單元。

受火初期，鋼筋混凝土梁溫度較低，鋼筋和混凝土材料性能衰減緩慢，梁跨中豎向位移呈線性緩慢增長。70min左右，鋼筋混凝土梁溫度較高，混凝土彈性模量和材料性能降低，梁跨中豎向變形較快增長。至火災(zāi)后期90min，梁達(dá)到火災(zāi)下極限承載能力，豎向撓度快速增長而破壞。圖9為梁時(shí)間撓度曲線。

圖9 梁時(shí)間—撓度曲線

6 結(jié)論

在非線性有限元分析領(lǐng)域，ABAQUS功能十分強(qiáng)大。普遍應(yīng)用于實(shí)際工程和研究學(xué)習(xí)中。本文利用ABAQUS建立合理的鋼筋混凝土簡支梁有限元模型，模擬火災(zāi)下鋼筋混凝土梁構(gòu)件的受火行為，通過研究分析，得到了鋼筋混凝土梁溫度場以及變形規(guī)律。

①通過對(duì)鋼筋混凝土梁在火災(zāi)下的模擬研究，進(jìn)一步分析了梁溫度的變化，熱輻射使得受火面溫度升高較快，溫度梯度較大?；炷劣捎跓醾鲗?dǎo)系數(shù)較低，截面內(nèi)部溫度較低，升溫較慢。從而形成了由外至內(nèi)不均勻的溫度場。

②火災(zāi)能加劇鋼筋混凝土梁材料力學(xué)性能的下降，降低梁的承載性能，跨中豎向變形較大達(dá)到耐火極限而破壞?？梢詾殇摻罨炷亮夯馂?zāi)下溫度和力學(xué)分析提供參考。