浅谈高温条件下混凝土短柱受力特点

文/杨宇 辽宁省建筑设计研究院有限责任公司 辽宁沈阳 110005

1、引言

近年来，计算机技术的蓬勃发展，引导了科学研究的各个领域，成为科研探讨中不可或缺工具。其中，计算机的模拟和仿真技术已经成为火灾科学研究的重要手段。各种火灾模拟软件也在不断的涌现，比较有名的火灾模拟软件有FDS和CFAST等。FDS（火灾动力模拟）是由美国国家标准局建筑火灾研究实验室开发的基于场模拟的火灾模拟软件，在火灾安全工程领域中应用十分广泛。FDS是一个由CFD（计算流体力学）分析程序开发出来的专门用于研究火灾烟气传播的模型，可以模拟三维空间内空气的温度、速度和烟气的流动情况等。

CFRP复合材料因其具有轻质高强、热膨胀系数低、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好、无磁、高耐久性等优点，在国内外土木工程界中被广泛应用[1]。但是，由于CFRP复合材料的耐火性能极差，因此CFRP在需要抗火设计的建筑结构中的应用得到了限制。本文利用ANSYS对圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱的温度场分布进行分析，将CFRP材料置于混凝土中，可以有效地延缓CFRP的升温，使其在结构构件中继续发挥作用。

2、圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱数值模拟分析

2.1　建模及计算

设圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱的长为3000mm，核心混凝土的直径为400mm，CFRP筒的厚度为0.167mm，钢管外径为800mm，钢管壁厚为12mm。

利用ANSYS进行温度场分析过程中，CFRP采用三维4节点的 shell 3D 4 node57单元，混凝土及钢材采用三维8节点的 solid Brick 8 node 70单元，同时为Shell 57单元定义实常数，取CFRP筒的厚度为0.167mm。CFRP采用Tri-Mapped网格划分方式，混凝土和钢管采用Quad-Sweep网格划分方式，整个模型共划分28200个单元。

钢材的热传导系数、比热容采用Lie(1994)[2]、Lie和(Chabot)(1990)给出的公式；混凝土的热传导系数采用Lie(1994)、Lie和(Chabot)(1990)给出的公式；混凝土的比热容计算公式采用EC4(1994)所给出的普通混凝土的比热容公式。对于CFRP材料热工参数，暂采用Griffic等[6]早期对应用于航天工业的一种CFRP材料进行热工参数测定的测定成果[3]。

考虑构件内部无热源，热辐射和热对流同时存在于构件表面。受火面对流换热系数 取25W/(m·℃)，综合辐射系数 取0.7，初始条件为所有节点的温度为20℃，采用国际标准ISO-834火灾升温曲线对组合短柱进行升温，升温时间为120min，时间步长为1min。图3-3为组合短柱观测点布置图，其中：观测点1是距圆心400mm处，观察点2是距圆心388mm处，观测点3是距圆心294mm处，观测点4是距圆心202mm处。

图2-1　圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱截面观测点布置图

2.2　数值模拟结果分析

图2-2为各观测点随时间变化的温度曲线图。

图2-2　各观测点的温度—时间关系曲线

从图2-2中可以看出由于钢材具有较高的热传导性，因此钢管在高温环境下升温较快，钢管最外侧节点上的温度在6～9min内就达到了600℃以上(当t=10min时，节点温度T=678.4273℃)，不到30min钢管的温度就达到了800℃以上。此后，钢管节点的温度随时间变化缓慢增长，当t=120min时，钢管外侧节点的温度与ISO-834标准升温曲线在此刻的温度基本相同。混凝土的热传导系数较低，故其节点随时间变化升温比较缓慢。CFRP筒的节点随时间变化升温也比较缓慢，当t=120min时，CFRP大部分节点的温度处于196.45℃。

一般树脂基碳纤维的玻璃化转变温度在100℃～200℃左右，而耐高温树脂基碳纤维的玻璃化转变温度可在200℃～300℃之间[4]。就本文模拟而言，若CFRP筒采用一般树脂基碳纤维复合材料，则根据树脂基种类的不同，CFRP失效的时间也在45min以上(当t=45min时，CFRP筒的节点温度为98.753℃)。若CFRP筒采用耐高温树脂基碳纤维复合材料，则在120min内CFRP筒的节点温度均低于它的玻璃化转变温度，故CFRP仍能继续发挥作用。

结语：

本文利用ANSYS有限元分析软件对圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱截面温度场进行了分析，其结果清晰、直观地反应了构件截面的温度随时间变化的情况，并将CFRP筒的节点温度与它的玻璃化温度进行了对比，从而确定了高温下CFRP材料在组合柱中发挥作用的时间，为深入研究此类构件的耐火性能奠定了基础，同时也为进一步研究其高温下的力学性能及耐火极限创造条件。