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钢筋混凝土简支板受火性能的有限元分析

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第２６卷第６期　Ｖ０１．２６　Ｎｏ．６　２００５　

青岛理工大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

钢筋混凝土简支板受火性能的有限元分析　袁建东　，张　坤。，陈礼刚。　（１．首钢　Ｔ学院建筑与环保工程系，北京１０００４１｝２．青岛建设集团华友建设发展有限公司，青岛２６６０２１；　３．青岛理工大学土木工程学院，青岛２６６０３３）　

摘　要：针对钢筋混凝土简支板恒载下受火性能进行了有限元分析，并与试验结果进行了对照，解　释了试验过程中出现的以前没有被认识的试验现象，进一步了解了火灾下钢筋混凝土简支板截面　温度场分布规律及跨中挠度的变化趋势．　关键词：钢筋混凝土简支板，火灾试验，ＡＮＳＹＳ分析，温度　中图分类号：ＴＵ３　

自从计算机问世以来，人类对计算机和相关的应用技术越来越依赖．传统的许多分析方法越来越难以　满足高经济效益和高性能提出的精益设计的要求．大型ＡＮＳＹＳ有限元分析程序应运而生，它主要用于结　构、热、流体和电磁四大物理场独立或耦合有限元分析，是一种便于使用的分析程序ｌ１］．　笔者对钢筋混凝土（以下简称ＲＣ）简支板受火试验进行了ＡＮＳＹＳ有限元分析，通过对不同结构单元　和结构模块的设定，比较准确的模拟试验在各个时期的不同状况．使人们更加透彻的了解ＲＣ简支板的受　火性能，使人们对火灾下钢筋混凝土简支板的认识从量的积累达到质的飞跃．　下面简要介绍ＲＣ简支板火灾行为试验的一些情况，试验数据及相关资料均来源于文献［２］．然后用　ＡＮＳＹＳ程序分析、比较．　

１　ＲＣ简支板火灾行为试验　试验的基本数据：简支板试件的尺寸、配筋见图１．混凝土设计强度等级均为Ｃ３０，骨料为硅质．纵向　受力钢筋均采用Ｉ级钢，屈服强度为３８８ＭＰａ，钢筋保护层厚度为１５ｒａｍ．试验装置见图２．　

１０根，直径１Ｏｍｍ　耐火石棉封Ｅｌ　

直径６ｒａｍ间距２５０ｍｍ　图１　试件配筋图　图２简支板实验装置图　试验的荷载：温度荷载参考的是国际标准组织ＩＳＯＲ８３４Ｆ提供了理论试验曲线（标准时间　温度曲　线），其表达式如下：　

＊　国家自然科学基金资助项目（５０１７８０３４）　收稿日期：２（）（）４¨ｏ１　

ｆ＿＿　１维普资讯 http://www.cqvip.com 青岛理工大学学报　第２６卷　丁一Ｔｏ＝３４５１ｏｇ１０（８ｔ＋１）　式中　￡一试验所经历的时间，ｍｉｎ；Ｔ一升温到ｔ时间的炉　温，℃；Ｔｏ一炉内初始温度，℃　实际炉温曲线和国际标准组织提供的理论试验曲线见　图３．　试验的内容包括常温加载及恒载加温．采用加载块模　拟均布荷载．荷载为２．０ｋＮ／ｍ。，在试验中此荷载保持恒　定．荷载施加完毕后，开始点火升温，直至试件破坏．　沿截面高度方向的板内温度分布曲线见图４．板跨中　挠度位移曲线见图５．　

１０００　８００　６００　趟　赠４００　

２００　０　０　２０　４０　６０　８０　ｌ００　１２０　

截面高度　

图４温度分布曲线　

一　一　髑　哺　

目　旦　

导　龆　

０　２０　４０　６０　８０　ｌ００　Ｉ２０　时间（ｒａｉｎ）　

图３升温曲线　

０　２００　４００　６００　８００　ｌ０００　炉温（℃）　

图５位移曲线　

２　ＡＮＳＹＳ程序中的计算参数设定　试验为热一应力耦合分析试验，ＡＮＳＹＳ程序首先进行热分析，然后用热分析得到的节点温度作为　“体力”载荷施加在后续的应力分析中来实现耦合分析．　．　根据上面简支板试验条件，作出如下设定：混凝土的强度为Ｃ３０，受力钢筋采用截面面积为　０．０００１７５ｍ。的５根Ｉ级钢筋，钢筋保护层厚度为１５ｍｍ．简支板受火面空气的对流系数采用４０Ｗ／ｍ。℃，　背火面空气的对流系数采用３０Ｗ／ｍ　℃，背火面空气温度设为２５℃口　．简支板受火面空气温度根据国际　标准理论试验曲线设定．混凝土的弹性模量常温下设为３．０×１０　Ｎ／ｍｍ　，降低系数　如表１：　钢筋的弹性模量２．１×１Ｏ　Ｎ／ｍｍ。，钢筋的泊松比为０．３，混　凝土的热膨胀系数表达式为：　ａ一（Ｏ．００８Ｔ÷６）×１０　式中　卜混凝土试件所经历的　温度　

表１　高温下混凝土弹性模■降低系数　

钢筋的热膨胀系数采用欧洲规范ＥＵＲＯＣＯＤＥ３采用的热膨胀系数为ａ　＝１．４×１０　Ｍ／（Ｍ・℃）Ⅲ．　混凝土的导热系数表达式为：　＝２—０．２４Ｔ／１２０＋０．０１２（Ｔ／１２０）　式中　Ｔ～混凝土试件所经历的温度　钢筋的导热系数［２　选定，取值如表２．　

３用ＡＮＳＹＳ程序计算结果　

表２钢筋的导热系数表　温度（℃）　１００　２００　４００　６００　８００　导热系数　６０　５５　４５　３７　３２　

首先进行瞬态热分析．ＡＮＳＹＳ分析模型考虑了对流边界，混凝土热传导采用三维单元Ｓｏｌｉｄ７０，钢筋　

０　０　０　０　０　０　０　加　∞　如　∞　们　加　０　０　Ｏ　０　０　０　Ｏ　Ｏ　０　０　０　Ｏ　加　Ｈ　０　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　袁建东等：钢筋混凝土简支板受火性能的有限元分析　热传导采用三维单元Ｌｉｎｋ３３．定义各种参数进行计算后，其温度分布曲线见图４．其次进行结构内力分析，　在瞬态热分析的基础上进行单元转化，混凝土的单元转换成结构实体单元Ｓｏｌｉｄ４５，钢筋的单元转换成结　构线单元Ｌｉｎｋ８，采用大变形分析类型．加ｌｋＮ／ｍ　的均布荷载进行ＡＮＳＹＳ分析，经过四个荷载步的计　算，得出了ＡＮＳＹＳ分析的简支板跨中挠度变化曲线见图５．　另外，加２ｋＮ／ｍ。的均布荷载进行ＡＮＳＹＳ分析时，瞬态热分　析的荷载值达到５８０℃时，得到的简支板跨中挠度值为８２．７６ｍｍ．　简支板的局部变形很大，板面收缩，简支板的变形情况见图６．当　瞬态热分析的温度荷载值增加时，ＡＮＳＹＳ程序提示无法进行程　序计算，结构已经处于破坏状态．ＡＮＳＹＳ程序自动终止．　

４两种结果的比较分析　

图６简支板变形情况　

从截面的温度分布图上看，两种结果有所不同．（１）ＡＮＳＹＳ分析结果各截面温度比试验结果各截面　温度普遍偏高．（２）试验结果中简支板截面温度降低较快，梯度较大．其主要原因：首先试验中板的大量结　晶水和自由水由板的边缘和裂缝处蒸发带走大部分热量，造成炉膛温度较低，炉膛开始阶段升温较慢，导　致板升温较慢，温度梯度也较大，当板内的结晶水和自由水蒸发后板的升温速度逐渐加快．其次程序中混　凝土的导热系数、弹性模量和板表面空气对流系数设定与实际情况有一定差别，导热系数和对流系数在试　验中变化较大．　两种结果的挠度比较，从上面图形可以看出简支板跨中挠度的变化情况．由于ＡＮＳＹＳ耦合分析的面　力荷载值设为ｌｋＮ／ｍ。，而试验采用的荷载值为２ｋＮ／ｍ　，所以大小无法比较．但是可以看出两种结果的曲　线变化趋势基本相同．同样是在炉温６００℃左右时，简支板的挠度值上升较快，梯度加大．说明简支板内钢　筋和混凝土的强度在迅速降低．试验所得简支板跨中挠度值为１９０ｍｍ，ＡＮＳＹＳ耦合分析得到简支板跨中　挠度值为１２０ｍｍ．　另外，在试验现象中，简支板的背火面跨中产生了纵向宽裂　缝，随着温度的升高向两横边延伸．同时简支板的两端也产生了许　多竖向微小裂缝见图７．　程序通过有限元计算，得出了简支板各点的应力值，从而有效　的解释了简支板的裂缝产生原因和挠度变化．简支板的横轴方向：　中间部分受压、两边受拉．不过拉、压应力都很小．简支板的纵轴方　向：除了横向短边周围受拉外，其它部分全部受压且压应力非常　大，从中间到两边压应力逐渐递减，简支板的中间部分大约是横轴　方向压应力的１Ｏ倍．参考图８，图９．　

图８横向应力　图７简支板纵向裂缝　图９纵向应力　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２６　青岛理工大学学报　第２６卷　升温过程中，简支板的强度逐渐降低，其中受力钢筋的强度降低很快，挠度逐渐增大，简支板的中和轴　上移，受压区内力臂减小，背火面压应力迅速增大．所以，压应力作用下简支板中间背火面横向将会产生拉　应力形成的裂缝，随着温度的升高向两横边延伸．同时，从应力图看出简支板的周边水平方向均受拉，解释　了试验中简支板两端产生的许多竖向微小裂缝．　

５　结论　（１）ＡＮＳＹＳ程序有效分析了ＲＣ简支板的温度分布情况．由于板内水汽蒸发带走部分热量、试验炉膛　升温较慢和板面空气对流系数变化，使ＡＮＳＹＳ程序分析的温度较高．　（２）ＡＮＳＹＳ程序有效的考证了ＲＣ简支板挠度试验结果，由于程序温度荷载较大，从而破坏面荷载较　小．　（３）ＡＮＳＹＳ程序的有限元塑性计算结果有效解释了火灾试验中简支板的裂缝分布．　

参　考　文　献　Ｅｌｉ博奕创作室．ＡＮＳＹＳ７．０基础教程与实例详解．北京：中国水利水电出版社。２００３　Ｅ２］李晓东．钢筋混凝土板火灾行为的试验研究［硕士学位论文］．青岛：青岛建筑工程学院，２００２　Ｅｓ］袁爱民．无粘结预应力混凝土板火灾试验研究及非线性有限元分析［硕土学位论文］．青岛：青岛建筑工程学院，２００３　Ｅ４］过镇海，时旭东．钢筋混凝土的高温性能及其计算．北京　清华大学出版社，２００３　［５］李丽，胡海涛．钢筋混凝土结构高温性能研究综述．青岛建筑工程学院学报，２００４。２５（３）：３３－３８　

Ｔｈｅ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｓｌａｂｓ　ｕｎｄｅｒ　Ｆｉｒｅ　Ｙｕａｎ　Ｊｉａｎ—ｄｏｎｇ　，Ｚｈａｎｇ　Ｋｕｎ　，Ｃｈｅｎ　Ｌｉ　ｇａｎｇ。　（１．Ｓｈｏｕｇａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４１；　２．Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈｕａｙｏｕ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０２１；　３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０３３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ　ｓｌａｂｓ　ｕｎｄｅｒ　ｆｉｒｅ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｗｈｉｃｈ　ｕｎｄｅｒｗｅｎｔ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｌｏａｄｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｕｎｋｎｏｗｎ　ｂｅｆｏｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｌａｂｓ　ｕｎｄｅｒ　ｆｉｒｅ　ｗｅｒｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｆｉｒｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ＡＮＳＹＳ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

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三面受火钢筋混凝土梁温度场分析

三面受火钢筋混凝土梁温度场分析

三面受火钢筋混凝土梁温度场分析摘要：利用abaqus有限元分析软件分析方钢管混凝土柱截面温度场，将分析结果与实验结果对比拟合，在此基础上对三面受火钢筋混凝土梁截面进行温度场分析，并相继分析了截面高度，截面宽度，升温时间等参数的影响。

结果表明：升温时间以及截面宽度对其影响较大，是影响三面受火钢筋混凝土梁截面温度场的主要因素。

[关键词]：三面受火；钢筋混凝土梁；温度场当前，我国正处于经济发展的高峰期，伴随着经济发展的同时，自然灾害也频频发生，在自然灾害中火灾的破坏性尤为强烈，对建筑物和人类的财产安全造成一定损失，所以对建筑物的抗火性能的要求也越来越高。

本文通过有限元分析软件abaqus来模拟三面受火钢筋混凝土梁截面温度场，对日后进行梁截面的抗火设计和耐火性能提供借鉴。

1理论基础由于钢筋和混凝土材料的特殊性，其热工参数随温度而变化，在实际应用中其构件长度远大于其宽度和高度，则可认为三面受火钢筋混凝土梁截面的温度场为没有内热源的二维非线性抛物线型，根据热微元体的热平衡以及傅里叶定律可得微分方程为：由于该计算公式是温度、时间以及二维平面的关系，在求解过程中需要给出初始条件和边界条件，由于在三面火灾作用下，通过热对流和热辐射来传热，通常情况下按第三类边界条件进行考虑。

2材料的热工性能在进行有限元模拟时，材料的热工性能包括比热容、密度、导热系数等。

本实验所选混凝土为硅质骨料混凝土，其热传导系数采用t.t.lie 给出，其比热采用过镇海推荐公式，硅质骨料混凝土密度取常值计算，。

3温度场模拟在进行模拟时通常对模型进行简化处理，假设①混凝土沿各个方向的传热系数相同，即为各向同性材料；②忽略热阻效应对其产生的影响；③由于钢筋截面面积很小，对其影响很小，可以忽略，在该处用混凝土温度来代替钢筋温度。

由于目前三面受火钢筋混凝土梁截面的温度场实验结果较少，本文采用四面受火方钢管混凝土柱（a）（b）和受火圆钢管混凝土柱（c）（d）实验进行验证，结果如图1所示：根据上图所示，分析可得：试验和计算结果二者拟合整体较好。

钢筋混凝土板的抗火性能研究进展

钢筋混凝土板的抗火性能研究进展

钢筋混凝土板的抗火性能研究进展摘要：钢筋混凝土是目前实际工程中应用最广泛的建筑材料，发生火灾时钢筋混凝土板起着重要作用，除自身受到高温作用外，还要防止火势蔓延和结构倒塌，其抗火性能对结构的安全度及稳定性有很大的影响，因此研究钢筋混凝土结构的抗火性能是十分必要的。

本文从钢筋混凝土板和梁的抗火性能两个方面进行综述，并对其进一步研究做了展望。

关键词：钢筋混凝土；板；抗火性能近年来建筑防火设计规范仅对构件的耐火极限提出了某些规定，但对钢筋混凝土结构在火灾下的抗火设计很少提及，致使目前的结构防火设计停滞于单个构件的耐火极限和处方式设计[1]。

这些基于试验的“处方式”设计方法只是简单、直观的表述，此类方法便于应用，但是多数缺乏合理、完善的解释，没能从根本上考虑高温作用下混凝土和钢筋材料性能的劣化，对于结构构件在火灾下的实际受力及约束条件等也不能准确的模拟，缺少理论基础，而且现行规范这些“处方式”的规定中，有些条文偏于保守造成实际的浪费、有些条文又失之于安全造成损失，不能满足结构的抗火设计要求[2]。

因此研究钢筋混凝土材料的高温性能和结构的抗火性能，通过抗火设计来提高建筑结构的抗火能力具有十分重要的意义。

1 火灾下普通钢筋混凝土板的试验研究现状1.1 国外研究现状国外对钢筋混凝土结构及构件的抗火性能研究进行得比较早，早在1922年Lea和Stradling就在这方面发表了研究成果[3]。

美国于1960年通过抗火试验研究了水平约束力对钢筋混凝土板的抗火性能的影响，试验结果表明，水平约束力能够提高预应力混凝土板和钢筋混凝土板的抗火性能。

2000年Bailey对14块预应力混凝土单向板进行了抗火实验研究[4]，板的边界条件为简支，没有水平约束，试验从板的厚度、混凝土类型和板底的保护等几方面进行了研究，指出火灾下板的跨中位移主要由弯曲应力控制。

英国火灾试验场在Regens Park建成，该实验室可以进行各种构件的抗火性能验和材料性能试验研究，目前，英国拥有世界上最先进的建筑火灾实验室，可以对达十层的钢结构进足尺抗火性能试验。

钢筋混凝土框架结构耐火性能影响分析

钢筋混凝土框架结构耐火性能影响分析

(3):265-268. [7] 孙焕. 不同因素对竖井负压控烟效果的影响规律研究[D]. 合肥：中国
科学技术大学，2015. [8] 高甫生. 关注超高层建筑烟囱效应可能引发的安全问题[J]. 暖通空
调，2012，42(11):82-90. [9] 孙昊. 有风条件下高层建筑烟气蔓延规律的研究[D]. 淮南：安徽理工
肖 科 供稿
Research on selection of smoke exhaust method in interconnected high and large atriums
CHEN Jing, XIAO Ze-nan, ZHENG Chan-chan
(Institute of Building Fire Research, China Academy of Build⁃ ing Research, Beijing 100013, China) Abstract: The effects of natural smoke exhaust and mechanical smoke exhaust were researched with the example of building with 7 connected atriums. The fire was set in the atrium faced the wind and the highest atrium. Different scenarios of natural smoke ex⁃ haust and mechanical smoke exhaust were set to analyze the smoke spread and smoke density. The conclusions are as follow: for high and large atriums, the smoke of small fire cannot rise to the ceil⁃ ing, so the smoke exhaust facilities on roof cannot work well, ex⁃ tra smoke exhaust facilities must be added at other height of atri⁃ um; the smoke outlets on exterior wall of middle floors can exhaust most of smoke which is better than mechanical smoke exhaust. When it is windy, the smoke outlets will supplement air on wind⁃ ward side of exterior wall and exhaust smoke on the leeward side, thus there will be air convection in atriums which is good for smoke exhaust. Key words: high and large atriums; natural smoke exhaust; mechan⁃ ical smoke exhaust; numerical simulation
钢筋混凝土剪力墙单面受火内力分析

钢筋混凝土剪力墙单面受火内力分析

钢筋混凝土剪力墙单面受火内力分析摘要：介绍了钢筋混凝土结构在火灾作用下力学性能及研究现状，利用大型通用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土剪力墙构件在火灾下作用的内力进行分析。

关键词：火灾；钢筋混凝土；剪力墙Abstract: the article introduces the reinforced concrete structure in the fire under the role of mechanical properties and the present research status, the use of large general finite element software ABAQUS of reinforced concrete shear wall component in the fire of the internal force redistribution of the role for analysis.Keywords: fire; Reinforced concrete; Shear wall1引言随着我国经济的逐步发展，建筑结构内部的使用功能日趋复杂，加之一些装修装修材料的不规范等原因，建筑火灾时有发生。

钢筋混凝土结构具有良好的耐久性、耐火性等原因，在我国的实际工程中仍然占有很大的比重。

因此对钢筋混凝土结构火灾作用下的力学性能进行研究是非常必要的。

由于混凝土一种热惰性材料，在火灾发生时，混凝土保护层能够有效的保护内部钢筋，减缓其升温速度，使整个结构具有良好的耐火性。

但火灾持续高温作用下，混凝土和钢筋的力学性能将不断恶化，甚至使整个结构出现局部失效、变形过大而出现内力重分布的复杂内力情况。

笔者利用大型通用有限元软件ABAQUS对混凝土剪力墙在火灾高温作用下温度场的分布进行分析计算，进而求的预加荷载下的内力情况，为钢筋混凝土结构火灾作用下的力学性能的进一步研究提供参考。