鋼筋混凝土空心板火災(zāi)反應(yīng)研究

陳　濤　　柯衛(wèi)峰

(1．中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢　430034; 2．橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢　430034;　3．中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430050)

?

鋼筋混凝土空心板火災(zāi)反應(yīng)研究

陳濤1，2柯衛(wèi)峰3

(1．中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢430034; 2．橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430034;3．中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050)

摘要:介紹了某簡(jiǎn)支空心板橋的結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)選取計(jì)算參數(shù)，建立了ABAQUS有限元模型，模擬分析了空心板在火災(zāi)下的溫度場(chǎng)及承載力，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:空心板梁，火災(zāi)，溫度場(chǎng)，承載力，ABAQUS

0　引言

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究多集中于建筑結(jié)構(gòu)上，橋梁結(jié)構(gòu)的火災(zāi)研究較少。陸洲導(dǎo)等［1］研究采用碳纖維和預(yù)應(yīng)力加固火災(zāi)后的框架承載力與剛度。董毓利等［2］在規(guī)范的抗剪計(jì)算承載力計(jì)算式的基礎(chǔ)上提出CFRP布加固受火后混凝土受剪承載力計(jì)算式。韓重慶等［3］研究2跨鋼筋混凝土T形截面連續(xù)梁在不同荷載條件下的耐火極限。張崗等［4］研究了局部火災(zāi)下混凝土箱梁懸臂板的變形與有效分布寬度。陸洲導(dǎo)等［5］通過(guò)與常溫未受火鋼筋混凝土連續(xù)梁的對(duì)比，分析了火災(zāi)后鋼筋混凝土連續(xù)梁的性能劣化。本文以某橋空心板為例，計(jì)算其在火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，進(jìn)而分析火災(zāi)后橋梁的承載力與剛度的損失情況。

1　計(jì)算結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1．1空心板結(jié)構(gòu)

本文所計(jì)算資料為某簡(jiǎn)支鋼筋混凝土空心板梁?？招陌鍢驑蜷L(zhǎng)11．96 m，計(jì)算跨徑11．6 m，混凝土等級(jí)C30，抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度13．8 MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1．39 MPa;底板受拉主筋型號(hào)為HRB335，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度280 MPa，底板鋼筋數(shù)量12Φ20，跨中截面配筋圖見圖1。

圖1　跨中截面配筋圖（單位：mm）

1．2計(jì)算參數(shù)

1)熱傳遞理論。熱傳遞有4種形式［6］:導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱、輻射傳熱、傳熱過(guò)程。導(dǎo)熱和對(duì)流是最早被人們發(fā)現(xiàn)的，熱輻射則是在1803年發(fā)現(xiàn)紅外線才發(fā)現(xiàn)的。

導(dǎo)熱方程:

其中，λ為熱傳導(dǎo)率，W/(m·℃)。

對(duì)流傳熱方程:

其中，h為熱傳遞系數(shù)，W/(m2·℃)。

輻射傳熱方程:

其中，σ為玻耳茲曼常量，取5．67×10－8W/(m2·K4)。

傳熱過(guò)程:

其中，h為熱傳遞系數(shù)，W/(m2·℃)。

熱傳遞系數(shù)沒有統(tǒng)一的規(guī)定，主要原因是影響熱交換的因素極其復(fù)雜［7］。當(dāng)混凝土與空氣接觸時(shí)，放熱系數(shù)［8］h= 40 kJ/(m2·h·℃)～88 kJ/(m2·h·℃)。固體表面在空氣中的放熱系數(shù)的數(shù)值通?？梢杂靡韵聝墒接?jì)算:

粗糙表面:h=23．9+14．50V，kJ/(m2·h·℃);光滑表面: h=21．8+13．53V，其中，V為風(fēng)速，m/s。

結(jié)合文獻(xiàn)［8］并根據(jù)空心板的特點(diǎn)，本文熱傳遞系數(shù)取:底板:13．57 W/(m2·℃)，頂板與腹板:1．96 W/(m2·℃)。

2)溫升曲線。國(guó)內(nèi)外對(duì)結(jié)構(gòu)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬通常采用

升溫段(t≤th):

降溫段(t＞th):

其中，T0為初始溫度，一般在5℃ ～40℃范圍內(nèi);t為火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，min;T為火災(zāi)t時(shí)刻溫度，℃。

3)材料熱參數(shù)?；炷僚c鋼筋的熱參數(shù)按文獻(xiàn)［11］～［13］計(jì)算，計(jì)算所得到的結(jié)果列于表1，表2中。

表1　材料熱參數(shù)

表2　材料高溫后熱力參數(shù)

2　溫度場(chǎng)及承載力分析

2．1溫度場(chǎng)分析

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)空心板火災(zāi)下的響應(yīng)進(jìn)行模擬，ISO 834標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線來(lái)模擬火災(zāi)，火災(zāi)作用范圍為空心板跨中2 m的區(qū)間內(nèi)，示意圖如圖2所示，考慮火災(zāi)持續(xù)100 min。

圖2　空心板火災(zāi)計(jì)算圖（單位：mm）

經(jīng)過(guò)100 min的火作用后，空心板跨中處溫度場(chǎng)如圖3所示。其中底板邊界處溫度為960℃，底板受拉處鋼筋溫度為400℃?？招陌迨軠囟扔绊懙母叨葹?5 cm。

選取距受火底板距離為H=0 mm，28 mm，50 mm(受拉鋼筋附近)，75 mm，100 mm處的位置進(jìn)行研究。各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖如圖4所示，由圖可以發(fā)現(xiàn):

1)100 min時(shí)距火災(zāi)面H=0 mm，H=28 mm，H=50 mm，H= 75 mm，H=100 mm處的溫度分別為958℃，580℃，389℃，215℃，181℃;2)H=0 mm處的溫度變化速率較快，100 min后最高溫度為958℃，距離火源越遠(yuǎn)溫度變化越慢，H=100 mm處的最高溫度為181℃;3)H=50 mm處的受拉鋼筋最高溫度為400℃左右;4)當(dāng)混凝土溫度大于800℃時(shí)混凝土已破碎。由圖4并結(jié)合圖3可以看出距混凝土表面2 cm左右的混凝土已破碎; 5)非受火且離受火面越遠(yuǎn)區(qū)域的混凝土溫度保持在常溫。

圖3　空心板溫度場(chǎng)（單位：℃）

圖4　不同深度混凝土溫度變化曲線

2．2火災(zāi)后承載力分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)受火后，混凝土與鋼筋的力學(xué)性能必然會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)結(jié)構(gòu)的極限承載能力會(huì)降低，為研究空板火災(zāi)后的極限承載力，在空心板上作用40 kN/m2的均布面荷載，分析空心板火災(zāi)100 min前后結(jié)構(gòu)受力情況。

圖5　火災(zāi)前后跨中荷載—位移圖

根據(jù)圖5計(jì)算曲線得到火災(zāi)前后結(jié)構(gòu)承載力與位移值，列于表3中。由表3知火災(zāi)前空心板極限承載力荷載為33．4 kN/m2，火災(zāi)后極限承載力荷載為27．5 kN/m2，空心板受彎極限承載力下降17．7%;火災(zāi)前在極限荷載下跨中位移為－53．4 mm，火災(zāi)后極限荷載下跨中位移為－59．3 mm;火災(zāi)前一階頻率為6．697 8 Hz，火災(zāi)后一階頻率為6．340 8 Hz。為了方便比較火災(zāi)前后橋梁跨中剛度變化情況，以圖5中承載力下的曲線切線斜率表示跨中剛度，火災(zāi)前曲線斜率為0．625，火災(zāi)后為0．464，則火災(zāi)后橋梁剛度較火災(zāi)前下降25．8%。

表3　火災(zāi)前后極限承載力與位移值

3　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)研究表明:1)火災(zāi)100 min時(shí)，混凝土最高溫度為960℃，火災(zāi)影響高度為15 cm;受拉鋼筋最高溫度為400℃左右;距混凝土表面2 cm左右的混凝土已破碎;2)火災(zāi)后的空心板受彎極限承載力比火災(zāi)前下降17．7%;火災(zāi)后橋梁跨中剛度較火災(zāi)前下降25．8%，說(shuō)明100 min后的結(jié)構(gòu)剛度損失較大。

參考文獻(xiàn):

［1］ 陸洲導(dǎo)，王李果，李剛．采用不同材料加固受火后預(yù)應(yīng)力混凝土框架的試驗(yàn)研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2004，37(4): 99-103．

［2］ 徐玉野，彭小麗，董毓利，等．火后CFRP布加固鋼筋混凝土梁受剪性能試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36(2):123-132．

［3］ 韓重慶，許清風(fēng)，劉橋，等．鋼筋混凝土T形截面連續(xù)梁耐火性能試驗(yàn)研究及有限元分析［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36 (2):142-150．

［4］ 張崗，賀拴海，王翠娟．局部火災(zāi)下混凝土箱梁懸臂板變形與有效分布寬度［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，35(1):68-75．

［5］陸洲導(dǎo)，柴繼鋒，余江滔．火災(zāi)后鋼筋混凝土連續(xù)梁力學(xué)性能的計(jì)算分析［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，43 (1):16-26．

［6］楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［7］ 劉照球．混凝土結(jié)構(gòu)表面對(duì)流換熱研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006．

［8］ 朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國(guó)水利出版社，2012．

［9］International Standard ISO834，F(xiàn)ire-Resistance Tests-Elements of Building Construction［S］．

［10］GB/T 9978．1—2008，建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第1部分通用要求［S］．

［11］ 吳波．火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能［M］．北京:科學(xué)出版社，2003．

［12］Eurocode 2 Design of concrete structures part1．general rulesstructural fire design［S］．

［13］ 過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東．鋼筋混凝土的高溫性能及其計(jì)算［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

中圖分類號(hào):TU375．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0036-03

收稿日期:2016-04-06

作者簡(jiǎn)介:陳濤(1984-)，男，碩士，工程師ISO 834標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，表達(dá)式為［9，10］:

Fire reaction for the reinforced concrete hollow slab

Chen Tao1，2Ke Weifeng3

(1．Bridge Science Research Institute Ltd China Zhongtie Major Bridge，Wuhan 430034，China;2．State Key Laboratory of Bridge Structure Health and Safety，Wuhan 430034;3．China Railway Major Bridge Engineering Group Co．，Ltd，Wuhan 430050，China)

Abstract:The paper introduces the structural features of some barrel-supported hollow slab，establishes the ABAQUS finite element model by selecting the calculation parameter，simulates the temperature field and loading capacity of the hollow slab in fire accidents，and achieves some valuable conclusion．

Key words:hollow slab，fire accident，temperature field，loading capacity，ABAQUS