基于ABAQUS 的圆钢管混凝土柱截面温度场分析

杨 帆，吕向明，魏国强

（天水师范学院 土木工程学院，甘肃 天水 741001）

现代建筑物的高层化、大规模化以及用途的复合化使得建筑火灾发生的因素随之增加，建筑火灾危害亦日益扩大。[1]钢管混凝土结构具有承载力高、塑性韧性好、施工方便、耐火性能好等特点已广泛地应用我国高层以及超高层建筑中。当前已有学者对钢管混凝土结构温度场进行了试验研究和理论分析。Lie和Chabot[2]对5根均匀受火圆钢管混凝土柱进行了耐火性能实验，测得了无防火保护层钢管混凝土柱在CAN4-S101升温曲线下的温度场分布，并编制了温度场的简化计算程序。杨华等[3]采用ANSYS有限元软件进行了矩形钢管混凝土柱在单面受火时的截面温度场分析，并与四面受火工况进行了对比，分析表明，单面受火时截面温度分布呈单轴对称。江莹等[4]通过深入分析核心混凝土和钢管本构关系、边界约束等，考虑升温段和降温段，对钢管混凝土柱-钢梁节点进行了温度场分析。丁发兴等[5]基于能量平衡原理建立了圆钢管混凝土柱在均匀受火时的温度场分析方法，并进行了温度场分析，混凝土中水分的影响通过放大混凝土比热的方法考虑，基于试验结果取表面热传递系数hs=75W/(m2·K)。郑永乾等[6]基于ANSYS有限元软件进行了型钢混凝土柱截面温度场数值模拟，并与试验结果进行了对比。王卫华和陶忠[7]通过选取合理混凝土和钢材热工参数，采用ABAQUS有限元软件对带楼板的单层单跨钢管混凝土平面框架进行了温度场分析，升温曲线采用ISO-834国际标准升温曲线，结果表明，钢筋混凝土梁截面在受火30min后最大温差达到500℃以上，钢管混凝土柱截面温度场沿柱纵向呈非均匀分布。

温度场分析是进行构件耐火性能分析和结构抗火设计的基础，本文运用有限元软件ABAQUS，建立了圆钢管混凝土柱截面温度场精细有限元分析模型。研究了标准火灾作用下圆钢管混凝土柱截面的升温特性。

1 数值模型的建立

1.1 热传导模型界面处理

在传热分析建模过程中，钢管与核心混凝土之间、钢管与防火保护层之间、加载板与柱之间均采用（Tie）约束，不考虑界面相对滑移。钢管混凝土柱不考虑温度沿柱长度方向的变化，即二维传热分析，只假定沿截面进行温度传递。

1.2 单元类型选取

在热传分析模型中，钢管、核心混凝土、加载板均采用八节点三维实体单元DC3D8，在温度场模型中，单元类型选用Heat transfer，温度传递以热辐射、热传导和热对流为主。在划分网格时，采用边缘布种子的方法来提高网格划分精度。

2 材料的热工参数

在温度场分析中，合理选取钢材、混凝土的热工参数对计算结果有着重要的影响。本文选取Lie[8]的热工参数模型，考虑钢材和混凝土的导热系数、比热和密度，并考虑水蒸气对混凝土比热的影响。

2.1 混凝土热工参数

（1）导热系数

（2）比热

参考韩林海[9]文中混凝土柱在升温过程中产生的水蒸气对核心混凝土比热的影响，假定混凝土中水分含量占总质量的5%，故对上述公式可修改为：

2.2 钢材热工参数

（1）导热系数

（2）比热

（3）钢材的容重随温度变化很小，一般取ρs=7850kg/m3.

2.3 防火涂料热工参数

试验中防火保护层采用厚涂型钢结构防火涂料，涂料的基本热工参数为：密度ρ=(400±20)kg/m3；导热系数λ=0.116W/(m ·K)；比热c=1.047×103J/(kg·K)。

3 算例验证

3.1 无防火保护钢管混凝土柱截面温度场分析

通过选择合理的火灾模型、热工参数模型，以及边界条件等，运用ABAQUS有限元分析软件建立了考虑升温阶段的钢管混凝土柱温度场有限元模型，分析了不同时刻钢管混凝土柱截面的升温特性，图1所示为无防火保护的圆钢管混凝土柱有限元计算结果和试验结果的对比，其中实线为试验结果，虚线为本文有限元计算结果，d为温度测点沿径向距钢管表面的距离，试验结果来自Lie(1994)[10]和Lie和Chabot(1992)，[11]采用加拿大设计规程CAN4-S101规定的升温曲线进行升温。试验结果和有限元计算结果总体吻合良好，验证了建模方法对模拟无防火保护的钢管混凝土柱温度场的有效性。

图1 无防火保护圆钢管混凝土柱截面T-t关系曲线[10，11]

3.2 有防火保护钢管混凝土柱截面温度场分析

防火保护层厚度对钢管混凝土柱截面升温影响较大，保护层越厚，则经历的历史最高温度就越低，本文选取（韩林海，2016）[9]中圆钢管混凝土柱试验进行数值模型验证，该试验按照ISO-834标准升温曲线进行升温，防火涂料为厚涂型防火涂料，表1.1所示为构件截面尺寸和防火保护层厚度a，图2所示为试验中截面温度测点位置，图3是有限元计算结果和试验结果对比情况，可见有限元分析曲线与试验曲线总体吻合良好。

总体可见，钢管混凝土柱截面等温线为一系列同心圆，由钢管表面依次向核心混凝土内部逐渐减小，钢管温度梯度较小，内外侧温度基本相等。而核心混凝土由于具有热惰性，故外侧升温较快，向中心逐渐减小，温度梯度较大，升温时间相对钢管明显滞后。

图2 柱截面特征点位置

表1 温度场试验试件表

图3 有防火保护圆钢管混凝土柱截面T-t关系曲线

4 结 语

本文基于相关试验研究，建立了圆钢管混凝土柱温度场有限元分析模型，分析了圆钢管混凝土柱截面温度变化特性，分析结果与试验结果吻合良好，表明本文建模方法可以较好的模型圆钢管混凝土柱的升温特性。由于混凝土的热惰性，相比钢管，核心混凝土升温滞后，温度梯度较大。该方法可较准确地模拟圆钢管混凝土柱升温特性，可为该类构件的耐火性能研究提供参考。