火灾下钢筋混凝土梁温度场数值模拟研究

2023-02-13刘宽宇杨晓娟汤铁铮刘俊金晓清

河南科技 2023年2期

刘宽宇杨晓娟汤铁铮刘俊金晓清

（1.重庆大学航空航天学院，重庆 400044；2.厦门中构信息技术有限公司，福建厦门 361000）

0 引言

在我国大力发展装配式建筑的背景下，钢结构因其重量轻、强度高、施工便捷、高装配性等优点而被广泛应用。但在高温环境中，钢筋混凝土结构的材料性能明显降低，其承载能力和耐火性能会急剧下降［1-3］。目前，一些钢筋混凝土建筑物通过涂抹防火涂料来提高耐火极限。因此，研究高温火灾环境下防火涂料对钢筋混凝土梁的影响尤为重要。

目前，对建筑钢筋混凝土结构在火灾作用下的温度变化分析已有不少研究成果。陈科等［4］采用有限元软件ABAQUS进行建模，并对钢筋混凝土平面框架在火灾作用下的温度场分布进行计算。刘子建等［5］对钢筋混凝土梁三面受火作用下的温度场变化进行模拟，并分析混凝土保护层厚度、防火涂料厚度等关键因素对温度场的影响。屈凯［6］采用ABAQUS软件对钢筋混凝土板的截面温度场进行分析，分析各参数对构件耐火极限的影响规律。邱源等［7］对高温条件下不同受火方式、截面尺寸、混凝土骨料类型等的钢筋混凝土梁进行高温反应分析，并总结各参数对梁截面温度场的影响规律。

本研究基于国内外规范和研究来确定材料性能参数，利用ABAQUS有限元分析软件，来研究高温环境下钢筋混凝土结构截面的温度分布规律，并对其涂抹防火涂层后的耐火性进行研究，可为钢筋混凝土结构的防火设计提供参考。

1 钢筋混凝土梁受火模型

1.1 基本假设

影响钢筋混凝土梁横截面温度场分布的因素众多，本研究对钢筋混凝土连续梁温度场的计算进行简化，具体简化及假定如下。①不考虑防火涂层导热系数等参数的变化。②假定防火涂层和混凝土界面间的黏结滑移不计［8］。③钢筋混凝土梁的初始温度与环境温度一致。④近似认为温度场在沿长度方向不变，把三维的温度场问题转化成二维温度场问题。

基于上述假设，建立钢筋混凝土梁截面二维传热模型，如图1所示。

图1 钢筋混凝土梁二维瞬态传热模型

1.2 模型相关参数

1.2.1 材料热工参数。在进行钢筋混凝土抗火计算时，材料的相关物理特性包括热膨胀系数、热传导系数、比热、密度等，本研究采用Lie等［9］建议的计算公式。

选取的钢材导热系数ks随温度T(℃)的变化关系见式（1）。

质量密度ρs=7 850 kg/m3，比热(cs)和密度(ρs)乘积表达式见式（2）。

热膨胀系数(αs)的计算公式见式（3）。

选取的混凝土材料导热系数kc随温度变化的关系见式（4）。

质量密度ρc=2 350 kg/m3，比热(cc)和密度(ρc)的乘积表达式见式（5）。

热膨胀系数αc=( 0.008T+6)×10-6m/m·℃。

防火涂料热工参数如表1所示。

表1 防火涂料热工参数［10-12］

1.2.2 网格划分。钢筋混凝土截面尺寸为200 mm×400 mm，钢筋尺寸为Φ22 mm，分析过程中网格单元类型为传热单元DC2D4和DC2D3，并以DC2D4为主。

1.2.3 载荷和边界条件。升温前部件的初始温度为环境温度20℃。采用ISO834火灾标准升温曲线［13］升温加载，见式（6）。

式中：T为t()min时刻的温度；T0为初始温度。

钢筋、防火涂层以及混凝土间采用Tie约束，火灾工况为四面受火。分析布设为瞬态热传递，持续时间为180 min，对流传热系数取25 W/（m2·K），本研究不考虑涂料的脱落和变形等对防火保护效果的影响［14］。

2 钢筋混凝土梁截面温度场分析

通过上述有限元模型可计算出火灾作用下梁截面的温度变化，无涂层梁截面中心节点温度变化曲线如图2所示，受火结束后节点温度为566.2℃。

图2 钢筋混凝土梁截面温度曲线分布（无涂层）

对有涂层的模型进行受火后的温度分析。超薄型涂层的厚度在3 mm以内，薄型防火涂料的厚度一般为7～8 mm，则厚型防火涂料的厚度在8～50 mm［15］。研究1 mm、2 mm和3 mm的超薄型涂层，5 mm、6 mm和8 mm的薄型涂层厚度以及10 mm、20 mm和40 mm的厚型涂层下梁截面的温度分布。

图3是超薄型涂层下中心节点温度变化曲线。在涂抹超薄型涂料后，温度较无涂层时明显降低。随着时间的增加，温度逐渐升高，且涂层越厚温度越低。这是因为在高温环境下，防火涂料的导热系数低，有较好的隔热作用，能有效阻隔热量向内部的传递，从而有效降低钢筋表面的温度，且随着涂层厚度的增加，这种效果会越来越明显。