火灾作用下钢筋混凝土框架节点温度场分析(系数).pdf

第 24卷第 1期 2009年2月 山 东 建 筑 大 学 学 报 JOURNAL OFSHANDONGJI ANZ HUUNI VERSI TY Vo l 24No 1 Feb 2009 收稿日期 2008 12 09 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50678097 山东省自然科学基金资助项目 Y 2006F30 作者简介 傅传国 1963 男 山东沾化人 山东建筑大学科技处教授 博士 主要从事工程结构基本理论及减灾技术的研究 文章编号 1673 7644 2009 01 0001 08 火灾作用下钢筋混凝土框架节点温度场分析 傅传国 1 王广勇2 王玉镯1 1 山东建筑大学 土木工程学院 山东 济南 250101 2 清华大学 土木工程系 北京 100084 摘要 基于 ABAQUS软件平台并结合足尺钢筋混凝土框架节点试件的耐火性能试验结果 分析了钢筋混凝土框 架节点在 ISO834标准升温曲线下的温度场分布 探讨了使用 ABAQUS分析软件进行钢筋混凝土框架梁柱节点 组合件温度场分析的方法 参数取值以及精度等问题 分析结果与试验结果吻合较好 表明本文基于 ABAQUS 软件和相应的参数选择进行钢筋混凝土框架结构温度场分析的方法是合理可行的 另外 本文还分析了框架 节点在三面受火与四面受火情形下的温度场分布特点 比较了两种受火情形的温度场分布规律 关键词 钢筋混凝土 框架节点 温度场 数值模拟 中图分类号 TU375 4 文献标识码 A The temperature field analysis of reinforced concrete fra me joints under fire FU Chuan guo 1 WANG Guang yong2 WANG Yu zhuo1 1 SchoolofCivilEngineering Shandong JianzhuUniversity Jinan 250101 China 2 Depart mentofCivilEngineer ing TsinghuaUniversity Beijing 100084 China Abstract Based on the ABAQUS software and experi mental results of reinforced concrete fra me joints under fire the temperature field is analyzed of reinforced concrete frame joints under the ISO834 standard te mperature fire and the method of te mperature field analysis choice of parameters and analysis of accuracy are discussed The temperature distribution by theABAQUS is in good agreement w ith the experi mental results ofmodels which shows that the analysism ethod in this paper is reasona ble or practicable In addition this paper also analyzes respectively the temperature fields of rein forced concrete frame joints under two fire cases that is one case is three sides surrounded by fire and the other is four sides surrounded by fire And in the end the paper compares the temperature distribution characteristics of the reinforced concrete frame joints under the two fire cases Key words reinforced concrete fra m e joints te mperature field numerical si mulation 0 引言 结构构件的温度场的分析是进行结构抗火性能 研究的前提和基础 所以引起工程结构抗火领域的 广泛关注 1 2 结构温度场研究方法主要有试验研 究和理论分析两种方法 3 11 试验研究周期长 费 用较高 而理论研究可以弥补试验研究的不足 在 温度场的传热分析方面 对于相对稳态的传热问题 可以导出相应的解析解 而对于大多数传热问题 尤 2 山 东 建 筑 大 学 学 报 2009年 其是针对建筑物火灾升温这一瞬态传热问题 则无 法得到解析解 普遍采用的是数值求解方法 本文 结合对足尺钢筋混凝土框架节点试件的耐火性能试 验结果 基于 ABAQUS分析软件 对试验试件的温 度场进行了分析 并与试验测试结果进行了对比 进 而探讨了使用 ABAQUS分析软件进行钢筋混凝土 框架梁柱节点组合件进行温度场分析的方法 参数 取值以及相应得精度等问题 同时 针对四面受火 和三面受火工况 对钢筋混凝土框架梁柱节点的温 度场分布规律进行了对比分析 1 试验概况 1 1 试件设计 设计了 3个十字形足尺钢筋混凝土框架节点 主要考虑了节点梁配筋率 梁端加载的荷载比 试 验恒定竖向荷载与梁端最大弯矩截面达到极限抗弯 承载力时的竖向荷载之比 以及节点柱轴压比的变 化 节点组合件详图如图 1所示 节点梁截面为 190mm 300mm 柱截面 300mm 300mm 钢筋采用 HRB400级钢筋 混凝土采用 C30商品混凝土 图 1 节点详图 1 2 试件温度场测点布置 试验在山东建筑大学火灾实验室进行 该实验 室新建大型垂直试验炉 试验炉的内部净尺寸为长 2 90m 宽 2 20m 高 3 25m 节点试件整体安装在 大型火灾垂直试验炉内 采用四面受火的升温方式 节点制作时预埋热电偶以测量升温过程中的温度变 化 考虑到梁柱截面温度沿杆件轴向不均匀分布 分别在节点核心区 上柱下端附近 上柱中部 左梁 内端附近和左梁段中部 5个截面布置热电偶进行测 温 如图 2所示 每个截面上分别测量了主筋 箍筋 和截面对称轴上混凝土的温度值 柱截面由于截面 中间有主筋 预埋热电偶的小混凝土块不能放置 只 取截面对称轴附近的点进行测量 测温截面上温度 测点的布置如图 3所示 其中测点 为混凝土测点 c为物体材料的比热 容 为物体材料密度 为物体材料热传导系数 2 2 ABAQUS传热分析 ABAQUS是大型非线性有限元程序 能够解决 稳态和瞬态传热的一维 二维 三维传热问题 对 于本文的分析 首先要在材料特性模块 Property中 定义材料的热传导系数 比热容和密度 然后在相互 作用模块 Interaction中定义边界条件 另外 还需 把初始条件在预定义场变量中进行定义 3 框架节点的温度场分析 3 1 分析模型的建立 升温曲线采用实测的炉温曲线 如图 4所示 梁位于炉内左侧部分由于受到保护热电偶石棉的影 响 相应测点温度受到一些影响 故对该部分的升温 曲线进行了折减 经试算 这部分边界上的升温曲 线采用实测炉温的 0 85倍较为合适 其余炉内部 分采用实测的炉温升温曲线 边界条件中的对流换热系数 综合辐射系数以 及形状系数对结果都有影响 这些系数不仅与燃料 有关 而且也与实验炉的形状有关 比较复杂 混凝 土热传导系数 比热对分析结果也明显的影响 本 文选择边界条件时参考了文献 7 推荐的数值 炉 内所有的构件模型边界都采用对流和辐射边界条 件 参考欧洲规范 8 当温度在 20 1200 时 热传 导系数 W m K 和比热容 c J kg K 分 别取为 0 012 T 120 2 0 24 T 120 2 2 c 4 T 120 2 80 T 120 900 3 密度 取 2300kg m 3 形状系数 取 1 综合辐 射系数 r取 0 5 传热模型边界分为受火面和非受 火面 非受火面热辐射在对流条件中综合考虑 受 火面对流换热系数 c取 25 W m 非受火面 综合考虑对流和辐射传热取为 9 W m 试验 节点的上柱段穿过炉盖厚度的部分受隔热保护较 好 故该部分边界按非受火面考虑 节点左右两段 梁穿过炉壁厚度的部分虽然塞了石棉进行保护 但 为了保持梁端自由上下位移 所塞石棉密实 这部分 边界采用对流边界条件 升温曲线按实测炉温的1 3 取值 对流换热系数 c取 25 W m 梁外端 和柱上端外露炉体部分则按照非受火面考虑 考虑 到模型的前后对称性 取节点一半进行分析 根据 文献 9 的结论 钢筋在热传导中的作用不大 本文 的传热模型中没有考虑钢筋的作用 只按照混凝土 建立模型 分析单元采用二次热传导单元 DC3D20 3 2 数值模拟结果与试验实测结果的对比 下面以试验节点 1为例 针对图 2中所示截面 温度场数值模拟结果与火灾升温试验的框架节点截 面各测点实测温度的比较分别如图 5 6 7所示 可 以看出 对于大多数测点 温度场分析结果与试验实 测结果吻合较好 在水分蒸发的 100 平台附近 数值 分析 与 试验 实 测结 果差 别 稍大 原 因是 ABAQUS软件没有考虑混凝土中水分在高温下迁移 和蒸发效应 由于钢筋热传导较快 钢筋处实测的 温度小于计算值 其中截面 1的测点 截面 3的 4 山 东 建 筑 大 学 学 报 2009年 测点 和截面 4的测点 由于热电欧损坏 没有得到实测温度 a 测点 b 测点 c 测点 d 测点 e 测点 f 测点 g 测点 h 测点 图 5 截面 1测点的温度比较 第 1期 傅传国等 火灾作用下钢筋混凝土框架节点温度场分析 5 a 测点 b 测点 c 测点 d 测点 e 测点 f 测点 g 测点 h 测点 图 6 截面 3测点的温度比较 6 山 东 建 筑 大 学 学 报 2009年 a 测点 b 测点 c 测点 d 测点 e 测点 f 测点 g 测点 h 测点 图 7 截面 4测点的温度比较 第 1期 傅传国等 火灾作用下钢筋混凝土框架节点温度场分析 7 3 3 框架节点温度场分布 通过对试验节点 1温度场的数值模拟 得到的 试验节点中面的温度场分布如图 8所示 在柱竖直 对称面内的温度场分布如图 9所示 在位于梁高度 中点的水平面内的温度场分布如图 10所示 升温 88 47m in时梁柱轴线上温度的变化如图 11所示 a t 32 54min b t 88 47m in 图 8 中面温度场分布 a t 32 54m in b t 88 47m in 图 9 竖向平面内的温度场分布 a t 32 54min b t 88 47m in 图 10 水平面内的温度场分布 a 梁轴线 b 柱轴线 图 11 梁柱轴线上的温度分布 8 山 东 建 筑 大 学 学 报 2009年 由图 8 9 10可以看出 由于梁柱对节点核心区 的保护 节点核心区温度较周围的梁段和柱段偏低 靠近节点核心区的梁端和柱端附近平均温度比其外 围梁柱中段偏低 试验结果是梁端塑性铰首先出现 在离开节点核心区与梁的交界面以外一段距离处 这与数值分析的结果相符 从各图还可看出 对于 十字形中节点 节点核心区的实测温度均较周围梁 柱端截面的温度偏低 这可能是周围梁柱端对节点 核心的 围护 作用所致 图 11显示 沿梁柱轴线 远离节点核心区与梁柱端交界面方向的距离约 20cm后 轴线上的温度变化较小 图中框架节点中 心点的坐标位置分别为 0 45m和 0 4m 相对于梁 柱段的中部 靠近核心区的梁端和柱端温度降低区 段的长度较 在进行框架结构的整体分析时 为简便 起见 可忽略此温度变化区段的影响 3 4 框架节点四面受火与三面受火时温度场的比较 四面受火节点主要发生在上下层均发生火灾的 情况 三面受火节点则是同层的双室火灾情形 本 文针对试验模型 分析对比了标准升温条件下框架 中节点三面受火和四面受火时的温度场分布 分析 得到的受火 120m in时节点对称面上的温度场分布 如图 12所示 分别取出三面和四面受火两个模型 对称面上节点核心处和梁端部截面对称轴线上等距 测点 1 5的温度 时间曲线 如图 13所示 图中曲 线编号的第一个数字 3或 4表示三面或四面受火情 形 第二个数字表示测点编号 由于四面受火节 点梁的温度场接近上下对称 故图 13的 b c两图中 对四面受火情形给出了截面 1 3测点的温度 测点 4 5的温度 时间曲线与测点 2 1相同 a 四面受火 b 三面受火 图 12 节点对称面内温度分布 a 测点布置 b 节点核心区测点温度 c 梁端截面测点温度 图 13 测点温度 时间曲线 从图 13可看出 节点核心附近四面受火的温度 分布 大小与三面受火时有明显不同 三面受火时 核心区和梁上部区域的温度明显比四面受火时要 低 两截面的 5 4 3测点的温度较为接近 三面受 火时截面 2 1测点的温度明显小于四面受火情形 而且越靠近三面受火情形的上部非受火区 其温度 差别越大 下转第 17页 第 1期 王琳等 可溶性有机物 DOM 对超滤去除水中内分泌干扰物 BPA 的影响 17 4 董秉直 曹达文 范瑾初 膜技术应用于净水处理的研究和现 状 J 给水排水 1999 25 1 28 31 5 Yoon Y W ester hoff P Snyder S A et al Nanofiltration and ul trafiltration of endocrine disrupting compounds phar maceuticals and personal care products J JM embrSc i 2006 270 1 2 88 100 6 王琳 董秉直 高乃云 超滤去除水中内分泌干扰物 BPA 的 效果和影响因素 J 环境科学 2007 28 2 329 334 7 Nghiem L D SchaferA I A dsorption and transport of trace con taminant estrone in NF RO membranes J Environ Eng Sc i 2002 19 6 441 451 8 Chang S W aite T D SchaferA I et al Adsorption of the endo crine active compound estrone on microfiltration hollow fiberM em branes J Env iron SciTechno l 2003 37 14 3158 3163 9 DevittE C DucellierF Cote P et al Effect of natural organic matter and the raw matrix on the rejection of atrazine by pressure drivenmembranes J W at Res 1998 32 9 2563 2568 10 孙海梅 武道吉 石峰 等 天然有机物对纳滤膜污染的分析 与控制 J 山东建筑工程学院学报 2005 20 3 41 45 11 曾文慧 上海饮用水深度处理用煤质 GAC 筛选技术研究 D 上海 同济大学环境科学与工程学院 2006 12 李晶 聚醚砜膜共辐射接枝丙烯酸类单体研究 D 上海 中 国科学院上海应用物理研究所 2005 13 许保玖 给水处理理论 M 北京 中国建筑工业出版社 2000 14 Lame JM Hagstrij m JP C larkM M et al Effects of ultrafiltra tion membrane composition J AWWA 1989 81 11 61 67 15 Lee N H Amy G Croue J P et al M orphological analyses of natural organic matter NOM fouling of low pressure membranes MF UF J JM embrSc i 2005 261 1 2 7 16 16 Berg P HagmeyerG G i mbelR Remova l of pesticides and oth erm icropo llutants by nanofiltration J Desalination 1997 113 2 3 205 208 17 Van derBruggen B Schaep J M aesW et al Nanofiltration as a treat mentmethod for the removal of pesticides from ground waters J D esalination 1998 117 1 3 139 147 18 董秉直 李伟英 秦祖群 等 用超滤膜处理长江水 J 膜科 学与技术 2005 25 1 34 37 19 Agbekodo K M Legube B Dard S Atrazine and si mazine re movalmechanisms by nanofiltration I nfluence of natural organic matter concentration J W ar Res 1996 30 11 2535 2542 20 T aylor J S Chen S S LokeA et al Flat sheet bench and pilot testing for pesticide removal using reverse os mosis R Denver Denver Research Foundation Report 6666W estQuincy A venue 2000 21 Susanto H U lbricht M Influence of ultrafiltration membrane characteristics on adsorptive fouling w ith dextrans J JM embr Sc i 2005 266 1 2 132 142 22 Zhang Y Causserand C A i ma P Remova l of bisphenol a by a nanofiltration membrane in view of drinking water production J W arRes 2006 40 20 3793 3799 上接第 8页 4 小结 本文基于 ABAQUS软件平台 分析了钢筋混凝 土框架节点在 ISO834标准升温曲线作用下的温度 场分布 并与试验结果进行了比较 二者吻合较好 表明本文利用 ABAQUS软件和相应的参数选择分 析钢筋混凝土框架结构的方法是合理的 另外 本 文还分析了框架节点在三面受火与四面受火情形下 的空间温度场分布特点 比较了两种受火情形的温 度场分布规律 分析结果对进一步认识火灾作用下 钢筋混凝土框架结构的温度场发展规律和损伤规律 具有一定的指导意义 参考文献 1 张怀章