火災(zāi)下鋼筋混凝土梁溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

劉寬宇 楊曉娟 湯鐵錚 劉俊 金曉清

（1.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶 400044；2.廈門中構(gòu)信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在我國(guó)大力發(fā)展裝配式建筑的背景下，鋼結(jié)構(gòu)因其重量輕、強(qiáng)度高、施工便捷、高裝配性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但在高溫環(huán)境中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料性能明顯降低，其承載能力和耐火性能會(huì)急劇下降［1-3］。目前，一些鋼筋混凝土建筑物通過涂抹防火涂料來提高耐火極限。因此，研究高溫火災(zāi)環(huán)境下防火涂料對(duì)鋼筋混凝土梁的影響尤為重要。

目前，對(duì)建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的溫度變化分析已有不少研究成果。陳科等［4］采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模，并對(duì)鋼筋混凝土平面框架在火災(zāi)作用下的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算。劉子建等［5］對(duì)鋼筋混凝土梁三面受火作用下的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行模擬，并分析混凝土保護(hù)層厚度、防火涂料厚度等關(guān)鍵因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響。屈凱［6］采用ABAQUS軟件對(duì)鋼筋混凝土板的截面溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，分析各參數(shù)對(duì)構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律。邱源等［7］對(duì)高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、混凝土骨料類型等的鋼筋混凝土梁進(jìn)行高溫反應(yīng)分析，并總結(jié)各參數(shù)對(duì)梁截面溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

本研究基于國(guó)內(nèi)外規(guī)范和研究來確定材料性能參數(shù)，利用ABAQUS有限元分析軟件，來研究高溫環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)截面的溫度分布規(guī)律，并對(duì)其涂抹防火涂層后的耐火性進(jìn)行研究，可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼筋混凝土梁受火模型

1.1 基本假設(shè)

影響鋼筋混凝土梁橫截面溫度場(chǎng)分布的因素眾多，本研究對(duì)鋼筋混凝土連續(xù)梁溫度場(chǎng)的計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化及假定如下。①不考慮防火涂層導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的變化。②假定防火涂層和混凝土界面間的黏結(jié)滑移不計(jì)［8］。③鋼筋混凝土梁的初始溫度與環(huán)境溫度一致。④近似認(rèn)為溫度場(chǎng)在沿長(zhǎng)度方向不變，把三維的溫度場(chǎng)問題轉(zhuǎn)化成二維溫度場(chǎng)問題。

基于上述假設(shè)，建立鋼筋混凝土梁截面二維傳熱模型，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土梁二維瞬態(tài)傳熱模型

1.2 模型相關(guān)參數(shù)

1.2.1 材料熱工參數(shù)。在進(jìn)行鋼筋混凝土抗火計(jì)算時(shí)，材料的相關(guān)物理特性包括熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、密度等，本研究采用Lie等［9］建議的計(jì)算公式。

選取的鋼材導(dǎo)熱系數(shù)ks隨溫度T(℃)的變化關(guān)系見式（1）。

質(zhì)量密度ρs=7 850 kg/m3，比熱(cs)和密度(ρs)乘積表達(dá)式見式（2）。

熱膨脹系數(shù)(αs)的計(jì)算公式見式（3）。

選取的混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)kc隨溫度變化的關(guān)系見式（4）。

質(zhì)量密度ρc=2 350 kg/m3，比熱(cc)和密度(ρc)的乘積表達(dá)式見式（5）。

熱膨脹系數(shù)αc=( 0.008T+6)×10-6m/m·℃。

防火涂料熱工參數(shù)如表1所示。

表1 防火涂料熱工參數(shù)［10-12］

1.2.2 網(wǎng)格劃分。鋼筋混凝土截面尺寸為200 mm×400 mm，鋼筋尺寸為Φ22 mm，分析過程中網(wǎng)格單元類型為傳熱單元DC2D4和DC2D3，并以DC2D4為主。

1.2.3 載荷和邊界條件。升溫前部件的初始溫度為環(huán)境溫度20℃。采用ISO834火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線［13］升溫加載，見式（6）。

式中：T為t()min時(shí)刻的溫度；T0為初始溫度。

鋼筋、防火涂層以及混凝土間采用Tie約束，火災(zāi)工況為四面受火。分析布設(shè)為瞬態(tài)熱傳遞，持續(xù)時(shí)間為180 min，對(duì)流傳熱系數(shù)取25 W/（m2·K），本研究不考慮涂料的脫落和變形等對(duì)防火保護(hù)效果的影響［14］。

2 鋼筋混凝土梁截面溫度場(chǎng)分析

通過上述有限元模型可計(jì)算出火災(zāi)作用下梁截面的溫度變化，無涂層梁截面中心節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線如圖2所示，受火結(jié)束后節(jié)點(diǎn)溫度為566.2℃。

圖2 鋼筋混凝土梁截面溫度曲線分布（無涂層）

對(duì)有涂層的模型進(jìn)行受火后的溫度分析。超薄型涂層的厚度在3 mm以內(nèi)，薄型防火涂料的厚度一般為7～8 mm，則厚型防火涂料的厚度在8～50 mm［15］。研究1 mm、2 mm和3 mm的超薄型涂層，5 mm、6 mm和8 mm的薄型涂層厚度以及10 mm、20 mm和40 mm的厚型涂層下梁截面的溫度分布。

圖3是超薄型涂層下中心節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線。在涂抹超薄型涂料后，溫度較無涂層時(shí)明顯降低。隨著時(shí)間的增加，溫度逐漸升高，且涂層越厚溫度越低。這是因?yàn)樵诟邷丨h(huán)境下，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)低，有較好的隔熱作用，能有效阻隔熱量向內(nèi)部的傳遞，從而有效降低鋼筋表面的溫度，且隨著涂層厚度的增加，這種效果會(huì)越來越明顯。

圖3 不同超薄型涂層厚度下鋼筋溫度變化

圖4是有薄型涂層的截面中心部位溫度隨時(shí)間變化曲線。涂層越厚，受火后溫度越低，且溫度較超薄型涂層有所下降。

圖4 不同薄型涂層厚度下鋼筋溫度變化

圖5是厚型涂層梁中心部位的溫度變化曲線。涂層越厚，溫度越低。不同的是，厚型涂層下的溫度較高，這是因?yàn)槌⌒秃捅⌒头阑鹜苛鲜桥蛎浶头阑鹜苛?，遇火后防火涂料膨脹發(fā)泡，從而形成炭化隔熱保護(hù)層，隔絕氧氣，其厚度通常是原來的數(shù)倍，延緩基材的升溫，從而提高鋼筋混凝土梁的耐火極限［16］。

圖5 不同薄型涂層厚度下鋼筋溫度變化

3 結(jié)論

為了探究防火涂料對(duì)高溫環(huán)境下鋼筋混凝土梁溫度分布的影響，本研究使用ABAQUS有限元軟件對(duì)火災(zāi)下鋼筋混凝土梁的溫度進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

①涂有三種不同類型防火涂層后，梁截面的溫度均有不同程度的降低，這說明涂抹防火涂料的保護(hù)措施是可行的。

②涂抹相同類型涂料時(shí)，涂層越厚，同一時(shí)刻下鋼筋的溫度越低，對(duì)梁的保護(hù)效果越好。

③涂有膨脹型防火涂料（超薄型和薄型）的梁截面的溫度更低，其對(duì)梁的保護(hù)效果更好。