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文章编号：2095-6835（2023）19-0080-03火灾下钢筋混凝土柱温度场有限元模拟分析＊章晴雯（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴314036）摘要：近年来，建筑火灾频繁发生，带来巨大的经济损失和惨重的人员伤亡。
为了减小损失，并且做好灾后修复的工作，需要对建筑结构的抗火性能进行全面系统的研究。
分析确定了材料的热物理参数，利用ABAQUS 软件建立了钢筋混凝土柱的温度场计算模型，并且通过实验验证了模型的合理性，为进一步研究建筑结构的温度场分布和抗火性能建立了理论基础。
关键词：钢筋混凝土柱；温度场；热物理性能；数值模拟中图分类号：TU375文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.19.0241研究背景常见的建筑工程灾害包括地震、强风和火灾等。
其中火灾的发生频率远远高过其他建筑灾害。
据国家消防救援局统计，2020年全国发生火灾25.2万起，2021年发生火灾74.8万起，2022年发生火灾82.5万起，火灾发生的频次和死亡人数均有逐年上升的趋势。
火灾下建筑物抗倒塌设计以及火灾后建筑物的加固修复研究对维护国家利益和人民的生命财产安全具有十分重要的现实意义，因此非常有必要开展建筑结构抗火研究，制定相关的规范。
目前国内外针对结构抗火的研究方法大致分为3种，具体为试验、数值计算、性能化抗火设计。
其中数值计算方法因为其价格低廉、方便操作、周期短等优势得到了广泛应用[1]。
本文在分析比较材料高温物理特性的基础上，选择合适的热物理指标，利用大型有限元软件ABAQUS 建立钢筋混凝土柱的温度场数值模拟模型。
为进一步分析建筑构件在火灾下的温度场分布和建筑结构的火灾力学性能打下了基础。
2钢筋和混凝土材料热物理指标通过热对流和热辐射作用，火场温度传递到建筑的构件上，再通过热传导的作用，构件内部形成温度场。
要获得准确的温度场分布，就必须先确定建筑材料的热物理性能，包括热膨胀系数、导热系数和比热。
火灾下二层钢框架温度场分析【摘要】本文运用ANSYS有限元分析软件对一平面钢框架进行火灾模拟计算，建立了平面钢框架的三维有限元模型，分别求出了一层左端单元和二层左端单元受火条件下钢框架的梁、柱翼缘和腹板随时间变化的温度分布情况。
【关键词】ANSYS 有限元火灾钢框架温度1 引言钢结构建筑建造速度快、抗震性能好、建筑造型美观且富于变化，随着我国钢产量的大幅度提高，建筑技术的不断进步，其应用前景非常广泛。
但是，耐火性能差是钢结构的一个致命缺点，钢材的强度、弹性模量等基本力学性能指标在高温下急剧下降，一旦发生火灾，钢结构建筑就有可能发生严重的破坏，甚至过早地整体倒塌，造成严重的经济损失和人员伤亡。
由此可见，对钢结构抗火性能的研究已经成为工程界需要迫切解决的问题。
本文对一二层二跨的平面钢框架进行火灾模拟计算，分析了在两种不同工况下钢框架梁、柱翼缘和腹板随时间变化的温度分布情况。
希望能为钢结构抗火性能的研究与工程实用提供一定的依据。
2 模型的建立与求解2.1 模型的建立文中选取的计算模型为二层二跨的平面钢框架，层高3m，柱间距5.2m，所有柱脚固结。
柱顶受垂直集中荷载为25KN，所有横梁受均布荷载为25KN/m。
梁和柱材料均为Q235钢，工字形截面尺寸如表1所示。
模型见图1。
2.2 定义材料热学性能参数钢材的导热性、比热采用EUROCODE3规范所规定的数值，钢材导热性曲线见图2，钢材比热曲线见图3。
钢材的密度不随温度的改变而变化，取7850kg/m3。
2.3 常温、高温下材料力学性能的定义（1）定义热膨胀系数和常温下的屈服应力：钢材的热膨胀系数αs=l.4×10-5；常温下的屈服应力？y=275×106N/m2。
（2）定义随温度变化的应力-应变关系：图4为钢材随温度变化的应力-应变关系曲线，图中共给出lO个参考温度，每个温度时的应力-应变由3个点描述。
2.4 求解假定该梁所在空间温度按ISO-834标准火模型上升，本文对模型二进行二种工况分析：工况一：假定钢框架结构一层左端单元发生火灾，受火框架模型见图5。
钢筋混凝土框架结构火灾反应全过程数值分析刘永军;毕然;腾飞;刘洋洋【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(029)003【摘要】目的从火灾场景的模拟、构件内温度场和结构的变形反应三个方面对钢筋混凝土框架结构的火灾全过程进行研究,为抗火设计提供参考.方法采用火灾模拟软件FDS对某商场首层火灾进行模拟,并对火灾下温度分布过程进行了研究,在此基础上利用ANSYS有限元分析软件对火灾条件下的构件进行温度场分析和变形分析.结果边柱、中柱以及节点处温度靠近构件截面内部温度逐渐降低,且升温速率趋于缓慢.节点核心区的温度较周围的梁段和柱段偏低.各跨中挠度达到耐火极限的时间满足规范要求,结构各构件相继失去承载能力而发生倒塌.结论火灾模拟软件FDS 得到的实际火灾升温曲线与国际标准火灾升温曲线相比温度偏低,采用国际标准升温曲线进行结构分析是偏于保守的,因此笔者建议将FDS对火灾的模拟结果作为结构分析的依据.【总页数】7页(P405-411)【作者】刘永军;毕然;腾飞;刘洋洋【作者单位】沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168;辽宁省建设科学研究院,辽宁沈阳110005;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TU375.4【相关文献】1.基于ANSYS软件钢筋混凝土框架结构多尺度数值分析 [J], 吴强;钱江;黄维2.钢筋混凝土框架结构连续倒塌数值分析 [J], 肖诗云;王雪婷3.火灾下钢筋混凝土框架结构的全过程分析 [J], 王剑锋;李永振;朱伟平4.高温下钢筋混凝土框架结构变形和内力的数值分析 [J], 陈东生;何沛祥5.钢筋混凝土框架结构火灾反应分析 [J], 姚亚雄;朱伯龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
钢筋混凝土柱受火行为的数值模拟研究一、研究背景钢筋混凝土柱作为建筑结构中的重要组成部分，其受火行为对建筑的安全性至关重要。
然而，钢筋混凝土柱在受到火灾的影响下，其性能会发生不同程度的变化，最终可能导致结构破坏。
因此，对钢筋混凝土柱受火行为进行数值模拟研究，有助于更好地理解其受火性能，并为建筑防火设计提供参考。
二、研究方法本研究采用ANSYS软件对钢筋混凝土柱受火行为进行数值模拟。
具体步骤如下：1. 建立模型：根据实际情况，使用ANSYS软件建立3D钢筋混凝土柱模型。
2. 定义材料模型：根据实际情况，定义钢筋混凝土柱的材料模型，包括混凝土、钢筋等参数。
3. 设置边界条件：对钢筋混凝土柱进行受火模拟时，需要设置边界条件，包括温度、边界固定等。
4. 进行数值模拟：根据实际情况，进行钢筋混凝土柱受火行为的数值模拟，并记录下相应的参数数据。
5. 分析结果：根据模拟结果，对钢筋混凝土柱的受火行为进行分析，包括温度分布、应力变化等。
三、模型建立1. 模型几何参数钢筋混凝土柱的几何参数如下：直径：300mm高度：4000mm钢筋直径：10mm钢筋间距：100mm混凝土强度等级：C302. 材料模型混凝土材料模型采用Drucker-Prager材料模型，钢筋采用弹塑性材料模型。
3. 边界条件钢筋混凝土柱受火模拟时，需要设置边界条件，包括温度、边界固定等。
本研究中，温度从20℃升高到1000℃，边界固定。
四、数值模拟结果分析1. 温度分布分析在钢筋混凝土柱受火模拟中，温度分布是一个重要的参数。
通过数值模拟，可以得到钢筋混凝土柱不同部位的温度分布情况。
在本研究中，分别对钢筋混凝土柱的顶部、中部和底部进行温度分布分析，结果如下：顶部：在火灾发生后的第5分钟，顶部温度开始上升，在第30分钟达到最高点，约为850℃。
之后，随着时间的增加，温度逐渐下降，但仍然保持在较高的水平。
中部：与顶部相比，中部的温度上升速度较慢，最高温度约为750℃，并且在火灾发生后的第30分钟左右达到峰值。
高温下圆截面钢筋混凝土柱温度场数值模拟摘要：为研究圆截面钢筋混凝土柱在火灾下的温度场分布，依据已有的试验尺寸，基于顺序耦合法和国际标准升温曲ISO-834，采用ABAQUS软件对圆截面钢筋混凝土柱建立了热传导分析模型进行数值模拟。
结果表明：温度场结果与实际试验值符合较好，可为高温下的力学性能研究提供依据。
关键词：钢筋混凝土柱；温度场；有限元；极限荷载引言随着我国经济的高速发展，当今的建筑结构中，钢筋混凝土结构占据很大一部分比例。
火灾是危害最严重的灾害之一，一旦发生将对人类生命和财产安全带来带来巨大的损失。
与木结构和钢结构相比，钢筋混凝土结构的抗火性能明显优于前两者。
但在火灾发生时，受高温的影响，钢筋和混凝土的材料性能将发生严重的劣化，从而造成结构的承载力降低，严重时还可能导致结构发生倒塌和破坏。
因此，对钢筋混凝土结构进行抗火性能分析，研究其在高温下温度场的分布和变化规律，变得尤为重要。
1数值模型的建立本文采用的模型采用直径320mm，高2610mm的圆截面钢筋混凝土柱，纵向钢筋采用 HRB335直径8mm 的级热轧钢筋，配筋率ρ=1.1%；环形箍筋采用HPB300直径 6mm 的复合井式箍筋，箍筋间距150mm，混凝土强度等级均采用C30，保护层厚度30mm。
2温度场分析2.1热传递基本原理物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递现象称为热传导。
热能传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。
本文中钢筋混凝土柱表面与空气通过热辐射和热对流进行热交换，而在柱内部则通过热传递进行热量的转移。
2.2材料热工参数选取材料热工参数的合理取值对有限元分析十分重要，过镇海学者做了大量试验和理论研究，提出的公式较接近实际。
因此本文钢筋、混凝土热力参数采用过镇海所提出的公式。
3温度场计算及分析图1 测点位置图2 测点温度曲线由图2可以看出，3个测点的试验曲线都经历了一段温度平台，这主要是因为混凝土吸热以后内部的水分蒸发所致，并且由于混凝土的比热较钢材大，其平台阶段更长。
火灾下钢筋混凝土柱的极限承载力研究一、研究背景火灾是建筑物安全的重要威胁之一。
当火灾发生时，钢筋混凝土结构的热应力会导致结构性能的退化，从而影响其极限承载力。
因此，研究火灾下钢筋混凝土柱的极限承载力具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究方法本研究采用数值模拟方法，通过ANSYS软件进行模拟分析，分析火灾对钢筋混凝土柱极限承载力的影响，并对模拟结果进行验证。
三、研究内容1. 钢筋混凝土柱的结构特点钢筋混凝土柱是由混凝土和钢筋构成的，具有强度高、刚度大、耐久性好等特点。
其截面形状多为圆形、方形或矩形，常用于建筑物的支撑结构。
2. 火灾下钢筋混凝土柱的受力分析在火灾发生时，钢筋混凝土柱的受力状态会发生变化。
其热应力会导致混凝土的强度和刚度降低，同时钢筋的强度也会受到影响。
因此，钢筋混凝土柱在火灾下的极限承载力会发生变化。
3. 数值模拟分析本研究采用ANSYS软件进行数值模拟分析，通过建立钢筋混凝土柱的有限元模型，模拟火灾下钢筋混凝土柱的受力状态，并分析其极限承载力的变化规律。
4. 结果分析通过数值模拟分析，本研究得出了火灾下钢筋混凝土柱的极限承载力与火灾温度、钢筋直径、混凝土强度等因素的关系。
结果表明，随着火灾温度的升高，钢筋混凝土柱的极限承载力不断下降；钢筋直径的增加可以提高钢筋混凝土柱的极限承载力；混凝土强度的提高可以提高钢筋混凝土柱的极限承载力。
5. 结论本研究通过数值模拟分析，深入研究了火灾下钢筋混凝土柱的极限承载力，并得出了其与火灾温度、钢筋直径、混凝土强度等因素的关系。
研究结果对于建筑物的防火设计提供了理论依据和实践指导。
四、研究前景钢筋混凝土结构是现代建筑中广泛使用的结构形式之一。
随着建筑物的不断发展，火灾防护问题越来越受到人们的重视。
因此，对于火灾下钢筋混凝土结构的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
未来，可以通过实验和数值模拟相结合的方法，深入研究火灾下钢筋混凝土结构的极限承载力，为建筑物的防火设计提供更加科学的依据。
火灾下钢管约束型钢混凝土柱温度分布11．有限元模型及验证火灾试验是研究建筑结构构件抗火性能的传统方法，优点是直接、可靠，但耗时长、难度大，也很难涵盖所有关键参数，而数值模拟可作为火灾试验的补充研究手段。
本文基于ABAQUS有限元软件，建立火灾下钢管约束型钢混凝土柱抗火性能有限元分析模型。
1.1钢材和混凝土的物理及力学性能参数材料的热工参数，包括导热系数、比热和容重等，在高温作用下往往不是常数，而是随着温度的改变而发生变化的。
国内外对钢材和混凝土的热工性能进行了大量研究，韩林海[6]、余敏和查晓雄Error: Reference source not found、Hong和Varma Error: Reference source not found等采用Lie Error: Reference source not found提出的钢材和混凝土的材料热工参数模型计算钢管混凝土温度场，取得了较好的预测结果。
因此，本文也采用Lie Error: Reference source not found建议的钢材和混凝土的热工参数模型。
1.2温度场模型的建立与模型验证基于ABAQUS有限元软件建立火灾下钢管约束型钢混凝土柱的温度场分析模型。
柱长900mm，直径300mm，钢管厚度为2mm，型钢类型为HM200×150。
采用Lie Error: Reference source not found建议的钢材和混凝土的热工参数取值，定义钢管表面对流系数为25W/(m2·℃)，综合辐射系数为0.5。
型钢与混凝土之间采用束缚（tie）定义。
钢管与混凝土之间的接触关系采用接触(interaction)定义。
因为钢管与混凝土之间一般存在空隙，很难完全接触，考虑空隙引起的接触热阻，参考文献的研究成果，接触热阻取为0.01（m2·℃）/W。
钢管与混凝土采用结构化网格划分，混凝土采用八节点三维热分析实体单元DC3D8，钢管和型钢采用四节点热分析壳单元DS4。
