火灾作用下钢筋混凝土梁温度场分析论文_余斌1,刘恒源2,龚应民1

余斌1 刘恒源2 龚应民1

1重庆新科建设工程有限公司 重庆 400700

2重庆路投科技有限公司 重庆 400700

摘要：火灾对钢筋混凝土梁的影响，主要为高温造成钢筋软化，使梁的承载能力降低，造成结构失稳。通过有限元软件ABAQUS对火灾中梁温度场的分析，梁内部温度场的传导过程，得出火灾主要影响混凝土保护层厚度在40mm以内的钢筋，导致其软化失去承载能力而使结构失稳，而对60mm以上的范围影响较小。并从防火角度，提出了梁构件的配筋建议。

关键词：火灾；钢筋混凝土；温度场；热传导

1前言

钢筋混凝土结构用途广泛，耐火性对于结构的安全至关重要。钢筋混凝土梁的受力性能与其组分材料的温度有些紧密的联系[1]。火灾一旦发生，梁的受力性能随着表面温度的升高逐渐消弱。火灾作用下钢筋混凝土结构或构件的温度场是进行结构抗火性能分析、火灾后损伤修复加固评定的基础[2]。因此，研究温度从梁表面向内部传到的规律，首先分析钢筋混凝土梁的温度场[3]。文章采用有限元程序ABAQUS对火灾下的钢筋混凝土梁的温度传到规律和温度场进行模拟计算和研究，根据火灾的真实情况模拟，得到了温度从梁表面向内部传导的规律，分析梁高与温度变化的关系及钢筋软化的时间节点，为梁的结构力学计算提供可供参考的温度场，并提出钢筋混凝土结构的防火及火灾控制措施。

2温度场的数值模拟

2.1有限元模型

有限元分析软件ABAQUS采用三维模型对钢筋混凝土梁的表面受热情况进行模拟[4]。单元类型为热传导模型，梁长3000mm，截面为200*300mm。共计单元数22500个，如图1所示。

图1　钢筋混凝土梁的有限元模拟

2.2 边界条件

钢筋混凝土梁的支撑条件为简支约束类型，采用的热传导率与温度关系如图2所示。梁底部及侧面三面受火灾升温，温度采用国际升温曲线[5]，如上图3所示。

图4 温度场三维云图

图5 温度场剖面云图

从云图中可以看出，在三面受火的受热方式下，温度分布关于梁截面轴线对称。梁表面温度最高，沿截面向内部逐渐降低。因此，一定的钢筋保护层厚度可以延缓温度向梁中心的传导，以使钢筋不致在短时间内达到熔点而丧失抗拉性能，维持钢筋混凝土矩形梁的受力特性[8]。从图5可以看出，沿梁高方向，温度是在逐渐降低的，30mm的钢筋保护层厚度在100Min内的温度阻隔在720℃，它们的关系可以用下图来表示。

图6 梁不同高度处温度分布

3.1温度场数值分析的特征点选取

横截面温度场分布如图6所示。可以看出，钢筋混凝土梁在三面受火灾作用下，温度场向梁中心和上部传导，高温主要集中在梁表面，适当厚度的保护层能有效阻止或延迟钢筋达到软化温度，保证结构安全。

图6梁中部横断面温度场分布图

3.2矩形梁温度场的数值分析

选取图6的顶-中部到底-中部节点，序号为节点1-节点16，提取火灾过程中节点温度变化，如图所示。

图7梁顶-中部到底-中部节点温度变化

从图7可以看出，梁底部节点16直接接触火灾，升温最快，在2分钟左右达到了400℃，之后升温趋势变缓，20分钟左右达到800℃，100分钟后达到了1000℃，如图q所示。距离底部2cm的节点15，升温比节点16缓慢，最高气温达到800℃，如图p所示。距离底部40mm的节点14，在火灾5分钟左后开始升温，升温趋势缓慢，最高气温达到620摄氏度，如图o所示。从距离底部60mm的节点13开始，火灾10分钟之后才有逐步升温，并且随着与火灾接触面距离的增大，升温趋势越缓慢，最高温度逐渐降低，均在500摄氏度以内，梁顶部节点1温度约245，如图a到n所示。从火灾过程中温度场的变化可以看出，在钢筋保护层厚度达到40mm以上的结构，防火能力较强，能承受较长时间的火灾而钢筋不易软化导致结构失稳。在距离外表面60mm以上的范围，温度不易达到钢筋的软化温度。

3.3 防火配筋建议

通过火灾对钢筋混凝土梁的温度场分析，可以看出火灾主要影响保护层厚度在40mm以内的钢筋，导致其软化而失去承载能力，而对保护层厚度在60mm以上的钢筋影响较小。故从防火角度对梁构件提出以下几点配筋建议：

（1）对于下部受力钢筋采用单层配筋的梁，混凝土保护层厚度不应小于40mm；

（2）对于下部受力钢筋采用多层配筋的梁，混凝土保持厚度可按规范最低范围确定，但最底层配筋宜作为安全储备，从第二层以上受力筋应能承受设计荷载；

（3）构造钢筋的混凝土保护层厚度可按规范最低范围确定。

4.结论

通过有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土矩形梁的火灾作用下温度场进行模拟，分析了火灾在100min以内梁内温度传导过程，得出火灾主要影响混凝土保护层厚度在40mm以内的钢筋，导致其软化失去承载能力而使结构失稳，而对60mm以上的范围影响较小。并从防火角度，提出了梁构件的配筋建议。

参考文献

[1]邱源，刘猛，初磊.火灾下钢筋混凝土梁温度场的数值模拟[J].建筑科学，2016-01-0017- 05：17-20.

[2]傅传国，王广勇，王玉镯.火灾作用下钢筋混凝土框架节点温度场分析[J].山东建筑大学学报，2009，24（1）：1-8.

[3]时旭东，过镇海.钢筋混凝土结构的温度场[J].工程力学，1996，13（1）：35-43.

[4]EN，1994-1-2：2005，Eurocode 4：Design of Composite Steel and Concrete Structures[S].

[5]郝聪龙.基于ABAQUS的火灾作用下组合梁的温度场分析[J].四川建材.2017-3-0222-03.

[6]European committee for standardization（CEN）.Eurocode4：design of composite steel and concrete structures，part 1.2：general rules-structural fire design，2005．

[7]李国强，韩林海，楼国彪，等.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M].北京：中国建筑工业出版，2006．

[8]AIJ.Recommendations for Design and Construction of Concrete-Filled Steel Tubular Structures[S].Architectural Institute of Japan，2008．

论文作者:余斌1,刘恒源2,龚应民1

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期

论文发表时间:2018/12/17

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