火灾作用下钢筋混凝土梁温度场特征分析

刘子建 赵 俣

(1.扬州市消防救援支队，江苏 扬州 252001； 2.江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

1 概述

随着国家基建工程的快速发展，土建技术水平的不断提升，城市中高层、超高层建筑、大型综合体不断涌现，建筑密度之大，使其安全性能及其防灾减灾受到越来越多的关注。近年来，火灾起数呈现逐年增长的趋势，城市高密度建筑的防火要求也随之提高。钢筋及混凝土材料是常见的热惰性材料，在火灾作用下材料温度显著升高，使得材料发生劣化现象，从而使得相应的建筑结构出现薄弱节点，影响建筑的安全性[1]。消防指战员在进行火情侦察、灭火救援、火灾调查等作战任务时，需要进入正在燃烧或燃烧后的建筑物内抢救人民生命财产、熟悉火场情况，而在火灾作用下，梁、板、柱等建筑物构件的温度会急剧升高，由此导致的结构强度大幅降低会对消防指战员的安全带来巨大的风险。多次火灾表明，一旦建筑的梁或柱等重要结构发生材料劣化，或者出现薄弱节点，则直接影响整个建筑的安全性，导致严重的人员伤亡和经济损失。这也说明提高建筑结构的防火性能刻不容缓，对钢筋混凝土结构火灾作用下的温度场研究，对消防领域内的灭火、防火工作具有极其重要的理论研究与实践的意义。

目前，关于建筑重要结构在火灾作用下的温度变化分析，已经有不少研究成果。陆洲导等[2]利用数值模拟的方法研究了混凝土柱在环境温度增加的情况下柱体温度的变化规律，且给出了相应的程序结果。杨华等[3]分析了混凝土柱随之外界温度增加的温度场分布，并且展开讨论了不同因素影响下柱截面的温度分布规律。

本文利用Abaqus有限元分析软件，建立了钢筋混凝土梁受火时的计算模型，探讨保护层厚度与非膨胀性防火涂料厚度对钢筋及混凝土温度场的影响。

2 钢筋混凝土梁受火模型

2.1 热传导方程

当钢筋混凝土梁受到火灾作用时，相应的钢筋和混凝土材料的热工参数会随着温度的变化而改变，即为温度的函数。因此，火灾作用下，钢筋和混凝土对热的传递都是考虑瞬时温度，因为不同时刻温度的参数不同。本文中，相应材料的热传导方程满足常规的傅里叶定律，具体见式(1)：

(1)

2.2 温升曲线

实际中，火灾作用下温度变化的规律较为复杂，很难用简单的数学模型来表达，目前应用比较广泛的是国标ISO—834标准升温曲线，相应的表达式如式(2)所示：

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

(2)

2.3 模型相关参数

1)混凝土和钢筋的热工性能。混凝土热工性能：其在温度增加的情况下，热传导系数的采用根据文献[4]中的表达式。高温下，混凝土比热的表达式采用的是欧洲规范，参见文献[5]，另外，混凝土密度取值为ρc=2 500 kg/m3；钢筋热工性能：其在温度增加的情况下，热传导系数的采用仍是文献[4]中的表达式。高温下钢筋比热表达式参照的是欧洲规范,参见文献[6]，钢筋密度取值为ρs=7 800 kg/m3；厚涂型防火涂料热工性能：高温下厚涂型防火涂料采用的热传导系数、比热容等详细参见文献[7],防火涂料的密度取值为ρf=240 kg/m3。

2)单元类型与界面参数选取。混凝土采用实体热分析单元(DC3D8)，钢筋采用传热连接单元(DC1D2)，网格采用结构化技术划分，以5 mm一个网格；钢筋与混凝土之间采用绑定(tie)；构件表面热辐射系数ε=0.5，综合换热系数h=25 W/(m2·K)，初始温度为20 ℃。

3)加热方式。所有钢筋混凝土构件均采用三面受火的形式，采用国际标准温升曲线ISO—834模拟火灾发生后对梁的三个面进行加热，持续时间为3 h。

2.4 钢筋混凝土梁受火模型

本次模拟B1～B4四个钢筋混凝土梁工况，如表1所示。梁截面尺寸为150 mm×300 mm，长度为3 600 mm；上部纵筋直径为16 mm，间距为900 mm；下部纵筋直径为18 mm，间距为450 mm；箍筋直径为6 mm，间距为200 mm。

表1 钢筋混凝土梁模型工况

3 计算结果分析

3.1 不同保护层厚度条件下钢筋温度场

图1显示了不同保护层厚度下，钢筋的温度变化。由图1可知，保护层厚度增加，可显著降低钢筋的温度，且离受火面越远的钢筋，影响的程度越大。当保护层厚度增加一倍时，近受火面的受拉钢筋温度减小约30.5%,远离受火面的受压钢筋温度减小约52.5%。当保护层厚度较小时，如150 mm时，远离受火及靠近受火面的钢筋温度差异不大。另一方面，当保护层厚度较小时，钢筋随受火时间的增加升温曲线呈现出抖升状态，即短时间内温度迅速增加，随之很快趋于平稳。反之，随着混凝土保护层厚度的增加，钢筋升温曲线越缓，随着时间的增加，钢筋温度呈现逐步上升的趋势。

3.2 不同厚度防火涂料下的钢筋温度场

图2为混凝土保护层厚度不变时不同涂料厚度情况下，钢筋的温度变化。由图2可知，无防火涂料时，钢筋的温度呈现抖升现象，且短时间内立刻趋于平稳线。相同条件下，涂抹防火涂料时钢筋的温度比无防火涂料的情况下显著降低，降低值约为42%，且增加防火涂料后，钢筋的温度变化曲线变得平缓增加。但防火涂料的厚度变化对温度降低的影响程度不大，当涂料层厚度增加一倍时，近受火面的受拉钢筋温度降低仅约5.8%，这也说明，防火涂料的有无影响很大，但防火涂料的厚度影响并非那么显著。此外，远离受火面的受压钢筋温度反而略显增加，这是由于防火涂料对受火面存在一个明显的隔火作用，从而使得温度向着背火面爬升。

3.3 不同厚度防火涂料下混凝土温度场

图3为不同防火涂料厚度下混凝土(中截面中心处)的温度变化。由图3可知，涂抹防火涂料可较大幅度地降低混凝土的温度，降低幅度达56.4%，相比图2而言，防火涂料对混凝土起的作用要高于对钢筋的作用。因此，涂抹防火涂料仍可以较大程度地提高钢筋混凝土梁的防火性能。随着防火涂料厚度的增加，混凝土温度继续降低，但降低的幅度不大，仅为16.9%。这也说明，防火涂料的有无对钢筋混凝土梁的防火性能影响很大，但其厚度增加带来的梁温度变化并不显著。

4 结论

基于本文钢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护层厚度的情况下，均能提高梁的防火性能。得到的结论主要有以下四个方面：

1)提高钢筋混凝土梁的保护层厚度，可以有效减少受拉(压)钢筋的温升幅度，对靠近受火面的受拉钢筋作用更为明显。当混凝土保护层厚度增加一倍时，近受火面的受拉钢筋温度降低约52.5%，远离受火面的受压钢筋温度降低约30.5%。2)涂抹防火材料时可有效减少钢筋的温升幅度，减少幅度达约42%。当防火涂料的厚度增加一倍时，同等受火条件下钢筋的温度继续降低，但降低的幅度不大。3)涂抹防火材料时可有效减少混凝土的温升幅度，减少幅度与防火涂料的厚度有关。提高钢筋混凝土表面防火涂料厚度，可以有效减少混凝土中心界面的温升幅度，在提高一倍保护层厚度的情况下，温度减少了16.9%。4)从温度变化幅度及经济实用角度出发，增加混凝土保护层厚度，对提升钢筋混凝土梁的受火性能更为合理。