火災下木混凝土組合梁溫度場數值模擬

 

 ,胡夏閩, 

南京工業大學土木工程學院,江蘇南京  210009

 

     利用ANSYS有限元分析軟件,ISO834升溫曲線下木混凝土組合梁的溫度場分布情況進行數值模擬,探討了混凝土板和木模板厚度對火災下組合梁溫度場的影響。結果表明,混凝土板具有明顯的阻熱作用,可以延緩木梁頂部溫度的發展;混凝土板下翼緣設置木模板可以很好地延緩混凝土板截面上溫度場的發展。計算結果可為工程中抗火設計以及火災下木混凝土組合梁的力學性能分析提供參考。

     關鍵詞混凝土組合梁;木模板;火災;溫度場;AN- SYS

 中圖分類號X913.4,TK121,TU377 文獻標志碼 

 文章編號1009-0029(2017)01-0001-04

混凝土組合梁是在木梁基礎上發展起來的一種新型結構構件,其通過抗剪連接件將木梁和上部的混凝土板組合連接成一個整體共同受力,充分利用膠合木材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能,綜合了兩種建筑材料的優勢。因此,吸引了不少學者對木混凝土組合梁性能開展系統研究。研究表明,混凝土組合梁與傳統的木梁相比,可以大大增加結構的強度和剛度,并提高隔音性能和抗火性能,特別適用于多高層和大跨度木結建筑。但由于木混凝土組合梁是一種新型結構構件,對其抗火性能及抗火設計方法的研究工作尚不完善。

2003,FrangiFontan針對火災時材料熱膨脹對木混凝土組合梁性能的影響進行了研究。結果表明,熱膨脹效應會導致截面上的殘余熱應力,然而殘余熱應力與外部荷載導致的應力相比很小,因此可在梁板抗火性能的計算中忽略熱膨脹的影響。2011,QNeill等人對木混凝土組合梁的破壞模式和抗火性能進行了試驗研究,發現在火災的作用下,木材發生炭化導致木梁有效截面尺寸逐漸減少;由于連接件產生的組合作用,樓板能夠承受較長時間的火災,耐火極限超過一個小時。2013,MeenaR等人則對一種新型木混凝土組合體系的抗火性能進行了試驗和數值研究。其試驗表明,混凝土組合結構的有效耐火等級可達到60 min. 2014,

Frangi等人提出一種針對火災下木混凝土螺釘連接組合梁的簡化計算方法,通過修正系數Kmod,fi來考慮溫度對木材、混凝土和                                                        連接件力學性能的影響。

使用有限元分析軟件ANSYS,結合文獻6中相關的抗火試驗數據,ISO834標準火災升溫曲線下木混凝土組合梁的溫度場分析模型進行驗證;對火災下不同混凝土板厚度以及木模板厚度的組合梁溫度場分布情況進行對比分析。

1   材料的熱工性能

材料的熱工性能參數會影響構件內部溫度場的分布情況。而且材料在不同的溫度條件下會發生不同的物理和化學反應,從而影響材料的熱工性能以及力學性能。因此,在有限元分析過程中要系統、合理地選取各參數值。材料的熱工性能參數主要包括導熱系數、密度、比熱容。本文有限元計算模型中木材的熱工參數均采用歐洲規范5給出的參數值。混凝土材料的導熱系數和比熱容均采用歐洲規范4建議的數值,而密度可以看作是常數。

2   模型驗證

根據文獻6中木混凝土組合梁的試驗尺寸,建立有限元分析模型,組合梁的跨度為4.5m,木梁的截面尺寸為126mm*300mm,混凝土板的截面尺寸為1000mm*65mm,木模板的厚度為17mm。木梁在整個受火過程中未采取任何保護措施。試驗過程中構件截面的溫

度場分布主要是通過熱電偶來記錄,構件內熱電偶測溫點的具體位置以及測點編號,見圖所示。

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有限元分析模型中木梁、木模板和混凝土板采用熱傳導的三維實體單元Solid 70。假定混凝土和木材為各向同性材料,各方向熱傳導系數相同。因為鋼筋網對其所在區域溫度場分布產生影響的范圍和幅度很小,所以在有限元分析中忽略混凝土板內鋼筋對溫度場分布的影響。有限元模型中邊界條件的設定如圖1所示,其中AB 邊為背火面,與常溫空氣接觸,設定為對流換熱邊界條件;AH、BC邊為對稱邊界,采用絕熱邊界條件;CD、DE、EF、FG、GH邊與熱空氣相接觸邊界條件設定為對流換熱和熱輻射條件。采用的熱對流換熱系數為25 W/(·),熱輻射率為0.8。試驗時爐溫采用的是ISO 834標準升溫曲線,并且測得火爐內升溫曲線與ISO 834升溫曲線吻合很好,所以在ANSYS有限元分析中采用ISO 834標準升溫曲線的數據進行模擬。

ANSYS溫度場數值模擬結果與試驗的木混凝土組合梁的截面上各點實測溫度比較,如圖2所示。3為有限元分析中木梁截面在30、60 min兩個時刻的溫度場分布云圖。

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由圖2可知,混凝土組合梁溫度場試驗和有限元分析出的升溫曲線變化趨勢基本是相同的。測點1測點2位于木梁中心處,混凝土組合梁溫度場試驗中,木梁由兩根63 mm寬的木梁機械連接而成,在試驗過程中木梁下端發生分離現象,從而加大木梁底部受火面積,加快木梁下部受熱炭化。而在有限元分析中采用的是一根126 mm整體木梁,分析過程中木梁一直是一個整體共同受熱,不考慮張開現象,所以測點和測點有限元模擬值要略低于試驗值。由圖3可以看出木梁溫度分層明顯,木梁的截面沿寬度和高度方向呈現明顯的溫度梯度,溫度從最外側的受火面向木梁內部遞減。木梁下端角部是兩面受火,會加速其在火災中受熱炭化。

所以在試驗中木梁下端角部形狀會發生圓角效應,從圖3可以得到有限元分析結果與此試驗現象相符。

上述比較分析表明,有限元模型的計算結果與試驗結果吻合較好,驗證了所采用的分析模型的合理性。

3 參數分析 

3.1 混凝土板厚度對組合梁升溫影響

為了分析混凝土板厚度對木梁溫度場的影響,分別對混凝土板厚度為0、50、100、150 mm情況下組合梁的溫度場分布進行分析,得到受火60 min后木梁頂部沿梁寬方向溫度分布圖,如圖4所示。從圖4可以看出,混凝土板厚度的增加,很好地延緩了木梁上部溫度的發展,這主要是因為在整個受火過程中,上部的混凝土板起到了明顯的阻熱作用,而且混凝土板與木梁上部接觸,混凝土板可以吸收大量熱量。對比混凝土板厚度為100 mm150 mm時木梁頂部的溫度分布情況,發現兩者間木梁頂部的溫度分布差別不大,顯然當混凝土板的厚度達到100 mm,再繼續增加混凝土板厚度,其對木梁頂部的保護作用基本上沒有提高。從圖中還發現,混凝土 組合梁中木梁中心處溫度要略高于純木梁中心處溫度,這主要是因為分析模型中純木梁與組合梁受火面不同,純木梁三面受火,而木混凝土組合梁又增加了混凝土板底為受熱面,火災