相邻两面受火方钢管混凝土柱截面温度场分析

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摘要：利用有限元分析软件ABAQUS来分析方钢管混凝土柱截面温度场，首先根据混凝土和钢材的热工参数建立分析模型，并将计算结果与以往实验结果进行对比拟合，在此基础上对两面受火方钢管混凝土柱截面进行温度场模拟分析，截面温度沿斜轴对称，并相继分析了截面宽度，钢管厚度，升温时间等参数对其影响规律。结果表明截面宽度，升温时间对其影响较大，并对两面受火方钢管混凝土柱的抗火设计和耐火性能提供了理论依据。

[关键词]：两面受火；方钢管混凝土；温度场

中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：

随着建筑业的迅猛发展，方钢管混凝土柱也得到了广泛应用，由于方钢管混凝土柱具有抗震性能好、承载能力高等优点，而广泛应用于高层和超高层建筑，对于方钢管混凝土柱的抗火设计方面已相继出现,根据受火情况除了四面受火,还有可能出现三面、两面及单面受火等,这对方钢管混凝土柱的抗火设计造成了严重障碍。本文采用ABAQUS有限元分析软件对相邻两面火灾方钢管混凝土截面的温度场进行模拟分析，综合应用数值分析的方法，得出截面的温度场分布变化规律，为以后进行方钢管混凝土的抗火承载力设计打下良好的基础。

1.理论基础

1.1传导方程

两面火灾方钢管混凝土柱截面为没有内热源的三维非稳态温度场，其微分方程为非线性抛物线型微分方程，考虑到构件特殊性，其构件的长度远远大于构件的截面尺寸，故假设沿轴线方向上温度变化为零，即沿长度方向分布均匀，可得到平面二维下的热传导微分方程：

1.2定解条件

传导方程建立了温度与时间、二维平面的关系，在求解过程中可以得到满足条件的无数组解，因此只有给出初始条件和边界条件，才能获得方钢管混凝土柱的温度场分布。

初始条件：火灾前假设方钢管混凝土温度与环境温度相同，即

边界条件：方钢管混凝土柱截面温度场满足一定的边界条件，边界条件分为三类。背火面和迎火面与周围环境间的换热采用热对流和热辐射，故可按第三类边界条件考虑。

假设方钢管混凝土柱的受火面为相邻面，其余为背火面，与受火面接触的介质温度按ISO-834标准升温曲线确定，受火时间三小时，其余面与环境温度等同。受火面以热辐射和热对流方式传热，采用辐射和对流边界条件，背火面以热对流方式传热，采用对流边界条件。

2 材料的热工性能

确定钢管和混凝土的热工参数是进行温度场分析的前提，包括导热系数、密度、比热等。

2.1钢材的热工性能

一般的钢材的导热系数会随着种类的不同而变化，主要是含碳率的影响，这种影响很小可以忽略。在我国，一般通过欧洲规范EUROCODE3来确定钢材的导热系数,

钢材的比热建议通过欧洲规范ECCS 来确定， 钢的密度随温度变化很小，一般取常数：

2.2混凝土的热工性能

混凝土的导热系数采用加拿大学者T.T.Lie给出,混凝土的比热采用过镇海推荐公式，混凝土的密度取常值计算

3温度场有限元模拟

3.1基本假设

在进行ABAQUS有限元模拟过程中，为了提高计算速度，通常对模型进行简化。假设如下：①在建模时忽略热阻效应对截面温度场的影响；②假设钢管与混凝土之间并没有粘结滑移；③在受火时假设火灾均匀分布在边界面上，即边界面受火均匀。

3.2有限元模拟验证

根据尚有的方钢管混凝土柱四面受火试验结果对本文的有限元分析进行验证,得出部分试验结果与计算结果的对比情况如下图1所示：图中r表示测点距试件外表面的垂直距离。

（a） （b）

（c） （d）

图1 温度计算结果和实验结果的对比

根据试验结果和计算结果进行对比，可见二者整体拟合较好。

4影响因素分析

在进行有限元模拟的基础上，对相邻两面受火方钢管混凝土柱截面温度场进行分析,其模型如下图2所示。下面针对钢管厚度，升温时间，以及截面宽度三个参数进行分析，取、、三种截面进行温度场模拟，具体分析如下：

4.1钢管厚度

取前两组截面进行模拟分析，在受火面取、、时得出分析结果如下图3所示，从结论中得出在相同的截面宽度下，钢管厚度在距离受火面较小的区域内影响较小，随着r的增大差别增大。这主要是因为混凝土和钢材的热工性能有很大差距，这也是导致这种现象的根本原因。

图2两面受火模型 图3不同钢管厚度的影响

4.2升温时间

图4为升温时间对截面的影响，据图可知，升温时间对截面影响较大。当受火时间为1h时，在r=0mm、r=50mm、r=100mm时的温度依次是850℃、294℃、80℃；当受火时间为2h时,其温度依次为1004℃、479℃、236℃；当受火时间为3h时,其温度依次为1080℃、600℃、368℃。随着时间t的增加，截面的温度随之升高，因为钢管导热系数明显大于混凝土，所以钢管升温快，混凝土升温较慢，使整个结构构件升温滞后，将有利于承载力的提高。

此外由于在背火区和受火区温差相对较大且不断增长，在最大处可达800℃，说明钢管混凝土在温度梯度下引起强度偏心和附加变形，进而产生附加弯矩，对截面承载力造生一定的副作用。

4.3截面宽度

下图5为截面宽度对钢管混凝土的影响，由图可知在外表面几乎没有影响，随着到钢管外表面距离的增大，截面宽度越大，温度降低的越快主要是因为构件越大吸热能力变强以及混凝土热工参数导致升温缓慢，使钢管混凝土的温度越低，这将有利于提高混凝土承载能力。

图4升温时间的影响 图5截面宽度的影响

5结论

(1) 方钢管混凝土双面火灾作用下，截面的温度场沿45°角斜向对称，温度的不均匀

分布必然导致应力不均匀，产生附加偏心距和附加挠度，不利于构件的承载能力。

(2) 由于双面受火不同于四面受火，在其他条件相同时，前者的核心温度低于后者，使材料损伤较小，有利于提高构件的承载能力。

(3) 截面宽度，钢管厚度，升温时间是影响两面受火方钢管混凝土柱温度场分布的主要因素，对构件的承载能力将产生一定影响，同时对两面受火方钢管混凝土柱的抗火设计和耐火极限产生影响

参考文献

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