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麵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 文獻標誌碼 

 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築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係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並提高隔音性能和抗火性能特別適用於多高層和大跨度木結建築但由於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

2003FrangiFontan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麵上的殘餘熱應力然而殘餘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2011QNeill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麵尺寸逐漸減少由於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2013MeenaR等人則對一種新型木混凝土組合體係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係數Kmodfi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係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係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範5給出的參數值混凝土材料的導熱係數和比熱容均采用歐洲規範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木梁的截麵尺寸為126mm*300mm混凝土板的截麵尺寸為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麵的溫

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係數相同因為鋼筋網對其所在區域溫度場分布產生影響的範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 邊為背火麵與常溫空氣接觸設定為對流換熱邊界條件AHBC邊為對稱邊界采用絕熱邊界條件CDDEEFFGGH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係數為25 W/(·),熱輻射率為0.8試驗時爐溫采用的是ISO 834標準升溫曲線並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麵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麵在3060 min兩個時刻的溫度場分布雲圖

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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位於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麵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於試驗值由圖3可以看出木梁溫度分層明顯木梁的截麵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麵向木梁內部遞減木梁下端角部是兩麵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050100150 mm情況下組合梁的溫度場分布進行分析得到受火60 min後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於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麵不同純木梁三麵受火而木混凝土組合梁又增加了混凝土板底為受熱麵火災