劉子建 趙 俁
(1.揚(yáng)州市消防救援支隊(duì),江蘇 揚(yáng)州 252001; 2.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
隨著國家基建工程的快速發(fā)展,土建技術(shù)水平的不斷提升,城市中高層、超高層建筑、大型綜合體不斷涌現(xiàn),建筑密度之大,使其安全性能及其防災(zāi)減災(zāi)受到越來越多的關(guān)注。近年來,火災(zāi)起數(shù)呈現(xiàn)逐年增長的趨勢(shì),城市高密度建筑的防火要求也隨之提高。鋼筋及混凝土材料是常見的熱惰性材料,在火災(zāi)作用下材料溫度顯著升高,使得材料發(fā)生劣化現(xiàn)象,從而使得相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱節(jié)點(diǎn),影響建筑的安全性[1]。消防指戰(zhàn)員在進(jìn)行火情偵察、滅火救援、火災(zāi)調(diào)查等作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),需要進(jìn)入正在燃燒或燃燒后的建筑物內(nèi)搶救人民生命財(cái)產(chǎn)、熟悉火場(chǎng)情況,而在火災(zāi)作用下,梁、板、柱等建筑物構(gòu)件的溫度會(huì)急劇升高,由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅降低會(huì)對(duì)消防指戰(zhàn)員的安全帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。多次火災(zāi)表明,一旦建筑的梁或柱等重要結(jié)構(gòu)發(fā)生材料劣化,或者出現(xiàn)薄弱節(jié)點(diǎn),則直接影響整個(gè)建筑的安全性,導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。這也說明提高建筑結(jié)構(gòu)的防火性能刻不容緩,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)作用下的溫度場(chǎng)研究,對(duì)消防領(lǐng)域內(nèi)的滅火、防火工作具有極其重要的理論研究與實(shí)踐的意義。
目前,關(guān)于建筑重要結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的溫度變化分析,已經(jīng)有不少研究成果。陸洲導(dǎo)等[2]利用數(shù)值模擬的方法研究了混凝土柱在環(huán)境溫度增加的情況下柱體溫度的變化規(guī)律,且給出了相應(yīng)的程序結(jié)果。楊華等[3]分析了混凝土柱隨之外界溫度增加的溫度場(chǎng)分布,并且展開討論了不同因素影響下柱截面的溫度分布規(guī)律。
本文利用Abaqus有限元分析軟件,建立了鋼筋混凝土梁受火時(shí)的計(jì)算模型,探討保護(hù)層厚度與非膨脹性防火涂料厚度對(duì)鋼筋及混凝土溫度場(chǎng)的影響。
當(dāng)鋼筋混凝土梁受到火災(zāi)作用時(shí),相應(yīng)的鋼筋和混凝土材料的熱工參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而改變,即為溫度的函數(shù)。因此,火災(zāi)作用下,鋼筋和混凝土對(duì)熱的傳遞都是考慮瞬時(shí)溫度,因?yàn)椴煌瑫r(shí)刻溫度的參數(shù)不同。本文中,相應(yīng)材料的熱傳導(dǎo)方程滿足常規(guī)的傅里葉定律,具體見式(1):
(1)
實(shí)際中,火災(zāi)作用下溫度變化的規(guī)律較為復(fù)雜,很難用簡單的數(shù)學(xué)模型來表達(dá),目前應(yīng)用比較廣泛的是國標(biāo)ISO—834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,相應(yīng)的表達(dá)式如式(2)所示:
T=T0+345lg(8t+1)
(2)
1)混凝土和鋼筋的熱工性能?;炷翢峁ば阅埽浩湓跍囟仍黾拥那闆r下,熱傳導(dǎo)系數(shù)的采用根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的表達(dá)式。高溫下,混凝土比熱的表達(dá)式采用的是歐洲規(guī)范,參見文獻(xiàn)[5],另外,混凝土密度取值為ρc=2 500 kg/m3;鋼筋熱工性能:其在溫度增加的情況下,熱傳導(dǎo)系數(shù)的采用仍是文獻(xiàn)[4]中的表達(dá)式。高溫下鋼筋比熱表達(dá)式參照的是歐洲規(guī)范,參見文獻(xiàn)[6],鋼筋密度取值為ρs=7 800 kg/m3;厚涂型防火涂料熱工性能:高溫下厚涂型防火涂料采用的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等詳細(xì)參見文獻(xiàn)[7],防火涂料的密度取值為ρf=240 kg/m3。
2)單元類型與界面參數(shù)選取?;炷敛捎脤?shí)體熱分析單元(DC3D8),鋼筋采用傳熱連接單元(DC1D2),網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化技術(shù)劃分,以5 mm一個(gè)網(wǎng)格;鋼筋與混凝土之間采用綁定(tie);構(gòu)件表面熱輻射系數(shù)ε=0.5,綜合換熱系數(shù)h=25 W/(m2·K),初始溫度為20 ℃。
3)加熱方式。所有鋼筋混凝土構(gòu)件均采用三面受火的形式,采用國際標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線ISO—834模擬火災(zāi)發(fā)生后對(duì)梁的三個(gè)面進(jìn)行加熱,持續(xù)時(shí)間為3 h。
本次模擬B1~B4四個(gè)鋼筋混凝土梁工況,如表1所示。梁截面尺寸為150 mm×300 mm,長度為3 600 mm;上部縱筋直徑為16 mm,間距為900 mm;下部縱筋直徑為18 mm,間距為450 mm;箍筋直徑為6 mm,間距為200 mm。
表1 鋼筋混凝土梁模型工況
圖1顯示了不同保護(hù)層厚度下,鋼筋的溫度變化。由圖1可知,保護(hù)層厚度增加,可顯著降低鋼筋的溫度,且離受火面越遠(yuǎn)的鋼筋,影響的程度越大。當(dāng)保護(hù)層厚度增加一倍時(shí),近受火面的受拉鋼筋溫度減小約30.5%,遠(yuǎn)離受火面的受壓鋼筋溫度減小約52.5%。當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí),如150 mm時(shí),遠(yuǎn)離受火及靠近受火面的鋼筋溫度差異不大。另一方面,當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí),鋼筋隨受火時(shí)間的增加升溫曲線呈現(xiàn)出抖升狀態(tài),即短時(shí)間內(nèi)溫度迅速增加,隨之很快趨于平穩(wěn)。反之,隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加,鋼筋升溫曲線越緩,隨著時(shí)間的增加,鋼筋溫度呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。
圖2為混凝土保護(hù)層厚度不變時(shí)不同涂料厚度情況下,鋼筋的溫度變化。由圖2可知,無防火涂料時(shí),鋼筋的溫度呈現(xiàn)抖升現(xiàn)象,且短時(shí)間內(nèi)立刻趨于平穩(wěn)線。相同條件下,涂抹防火涂料時(shí)鋼筋的溫度比無防火涂料的情況下顯著降低,降低值約為42%,且增加防火涂料后,鋼筋的溫度變化曲線變得平緩增加。但防火涂料的厚度變化對(duì)溫度降低的影響程度不大,當(dāng)涂料層厚度增加一倍時(shí),近受火面的受拉鋼筋溫度降低僅約5.8%,這也說明,防火涂料的有無影響很大,但防火涂料的厚度影響并非那么顯著。此外,遠(yuǎn)離受火面的受壓鋼筋溫度反而略顯增加,這是由于防火涂料對(duì)受火面存在一個(gè)明顯的隔火作用,從而使得溫度向著背火面爬升。
圖3為不同防火涂料厚度下混凝土(中截面中心處)的溫度變化。由圖3可知,涂抹防火涂料可較大幅度地降低混凝土的溫度,降低幅度達(dá)56.4%,相比圖2而言,防火涂料對(duì)混凝土起的作用要高于對(duì)鋼筋的作用。因此,涂抹防火涂料仍可以較大程度地提高鋼筋混凝土梁的防火性能。隨著防火涂料厚度的增加,混凝土溫度繼續(xù)降低,但降低的幅度不大,僅為16.9%。這也說明,防火涂料的有無對(duì)鋼筋混凝土梁的防火性能影響很大,但其厚度增加帶來的梁溫度變化并不顯著。
基于本文鋼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護(hù)層厚度的情況下,均能提高梁的防火性能。得到的結(jié)論主要有以下四個(gè)方面:
1)提高鋼筋混凝土梁的保護(hù)層厚度,可以有效減少受拉(壓)鋼筋的溫升幅度,對(duì)靠近受火面的受拉鋼筋作用更為明顯。當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度增加一倍時(shí),近受火面的受拉鋼筋溫度降低約52.5%,遠(yuǎn)離受火面的受壓鋼筋溫度降低約30.5%。2)涂抹防火材料時(shí)可有效減少鋼筋的溫升幅度,減少幅度達(dá)約42%。當(dāng)防火涂料的厚度增加一倍時(shí),同等受火條件下鋼筋的溫度繼續(xù)降低,但降低的幅度不大。3)涂抹防火材料時(shí)可有效減少混凝土的溫升幅度,減少幅度與防火涂料的厚度有關(guān)。提高鋼筋混凝土表面防火涂料厚度,可以有效減少混凝土中心界面的溫升幅度,在提高一倍保護(hù)層厚度的情況下,溫度減少了16.9%。4)從溫度變化幅度及經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度出發(fā),增加混凝土保護(hù)層厚度,對(duì)提升鋼筋混凝土梁的受火性能更為合理。