火災(zāi)下自密實混凝土柱的溫度場

1、火災(zāi)下自密實混凝土柱的溫度場盧 輝（福建省建筑科學(xué)研究院 350025）提要 本文介紹了自密實鋼管混凝土在高溫下力學(xué)性能研究的初步研究成果。通過數(shù)值計算模擬自密實混凝土柱在高溫下的溫度場。關(guān)鍵詞 自密實混凝土;鋼管自密實混凝土;火災(zāi);高溫;溫度場;熱工性能Temperature Distribution Of Self Compacting Concrete Columns at Elevated TemperatureLu Hui（Fujian Academy of Building Research 350025）Abstract: This paper presents the init

2、ial stage of an investigation of SCC-filled steel tubes at elevated temperatures. It aims at simulating the temperature distribution in SCC columns.Keywords: self-compacting concrete (SCC); steel tubes filled with self-compacting concrete; fire; high temperature; temperature field1 前言 鋼管混凝土柱具有較高的承載能

3、力和抗火性能而在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用日益廣泛。國內(nèi)外研究人員對鋼管混凝土柱的抗火性能都有過研究，如文獻(xiàn)1-7。近年來，自密實混凝土越來越受歡迎并逐步應(yīng)用于各類工程，自密實混凝土除了具有良好的工作性和可靠性外，其主要的優(yōu)點(diǎn)就是消除了振搗混凝土的噪音、降低了勞動成本和提高施工速度。鋼管自密實混凝土柱在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將是很有潛力的。目前，僅有為數(shù)不多的文獻(xiàn)報道過高溫自密實混凝土的研究9,10,研究結(jié)果表明自密實混凝土在高溫下比高性能混凝土和普通混凝土更具有爆裂的可能性。而對鋼管自密實混凝土目前仍鮮有研究。本文是鋼管自密實混凝土高溫下性能研究的一部分，主要是采用數(shù)值計算方法對自密實混凝土柱高溫下的溫度場進(jìn)

4、行分析。 高溫下構(gòu)件力學(xué)性能的數(shù)值模擬需要計算構(gòu)件的溫度場、應(yīng)力和應(yīng)變。由于，在高溫下材料的應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)Q于溫度的高低，所以，合理的溫度場分析是整個數(shù)值模擬的第一步。本文采用文獻(xiàn)12用于分析鋼管混凝土的數(shù)學(xué)模型，通過修改其邊界條件應(yīng)用于混凝土柱的溫度場分析。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容是溫度場分析的兩個重要熱工參數(shù)。但到目前仍未有自密實混凝土熱工參數(shù)的數(shù)據(jù)。有關(guān)的研究表明，自密實混凝土高溫下的性能類似于高性能混凝土，所以采用高性能混凝土的熱工參數(shù)來分析自密實混凝土的溫度場是值得探索的。Lie and Kodur 14-16 對普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的熱工參數(shù)進(jìn)行過研究，混凝土的粗骨料區(qū)別為硅酸鹽類和碳

5、酸鹽類兩種，但仍不知采用不同熱工參數(shù)進(jìn)行分析時，對溫度場分析結(jié)果有何影響，本文對此問題進(jìn)行了探討。最后，自密實混凝土柱溫度場的計算結(jié)果與文獻(xiàn)9的實驗結(jié)果進(jìn)行了對比和驗證。2 數(shù)學(xué)模型2.1 模型的修改 本文采用了Han 等人在文獻(xiàn)12中提出的用于鋼管混凝土溫度場分析的數(shù)學(xué)模型作為原型，該模型的特點(diǎn)是在空間上采用有限單元法和時間上采用差分法對溫度場進(jìn)行了分析。在該模型中，假設(shè)溫度沿柱的長度方向不變，柱表面暴露在火災(zāi)高溫下，所以該模型實際上是一個二維非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，模型的具體情況詳見文獻(xiàn)12?；馂?zāi)下混凝土柱的熱傳導(dǎo)可以采用下式對原模型進(jìn)行修改： （1）其中，q 是熱流密度，是綜合換熱系數(shù)12

6、， 是混凝土柱表面溫度，是火災(zāi)環(huán)境的溫度。為此，編制了對應(yīng)于該模型的程序用于自密實混凝土柱溫度場的計算。2.2 計算模型的驗證 采用Kodur等人17高性能混凝土柱的試驗結(jié)果中的兩根高強(qiáng)混凝土柱來驗證上述修改后的模型。兩根柱子均為截面高度為305mm的正方形柱，其中，柱THC8 采用碳酸鹽類粗骨料的混凝土，28天強(qiáng)度為60.4 MPa；THS11采用鋼纖維混凝土，硅酸鹽類粗骨料，28天強(qiáng)度為63.2 MPa。試驗采用的升溫曲線為ASTM E119-88 18規(guī)定的升溫曲線。采用了硅酸鹽類和碳酸鹽類粗骨料高強(qiáng)混凝土的熱工參數(shù)17，分別對柱THC8 and THS11進(jìn)行了溫度場分析。離柱表面不同

7、深度位置溫度的實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果對比詳見圖1。 (a) 柱 THC8(b) 柱 THS11圖. 1 數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比可以看出，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。在試驗的初始階段，柱中部的溫度初始增長很快，緊接著有一段時間溫度變化很小。這種情況可能是由于柱受熱后，柱內(nèi)部的水蒸汽開始向溫度較低的中部轉(zhuǎn)移，使柱中部的溫度有一段相對穩(wěn)定的階段17。在本文的計算模型中，已考慮了水蒸汽蒸發(fā)對溫度場的影響，但未包括蒸汽轉(zhuǎn)移對溫度場的影響，這可能可以解釋為何在柱中部處溫度計算值和試驗值存在誤差。3 熱工性能對溫度場的影響 混凝土的熱工性能主要取決于混凝土中粗骨料的種類、配合比和潮濕程度。高性能混凝土

8、和普通混凝土在配合比的差別主要是高強(qiáng)混凝土水灰比小、有較高比例的添加料，這種區(qū)別使得高強(qiáng)混凝土不但在力學(xué)性能上有別于普通混凝土，而且在熱工性能上也有所變化。混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容是混凝土溫度場分析的兩個重要參數(shù)。文獻(xiàn)14, 16給出了高強(qiáng)混凝土和普通混凝土的熱工性能參數(shù)。下面將對熱工性能參數(shù)在高強(qiáng)混凝土和普通混凝土之間變化對計算混凝土柱溫度場的影響進(jìn)行探討。3.1 高強(qiáng)混凝土和普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容 采用不同種類粗骨料的高強(qiáng)混凝土和普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容14,16可見圖2。從圖中可見，(a)導(dǎo)熱系數(shù)(b) 熱容圖 2 普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的熱工參數(shù) 14, 16隨著溫度的升高，混凝土

9、的導(dǎo)熱系數(shù)總體上是下降的。當(dāng)溫度低于300oC時普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低于高強(qiáng)混凝土；含碳酸鹽類粗骨料高強(qiáng)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低于普通混凝土和含硅酸鹽類粗骨料的高強(qiáng)混凝土。 熱容表示單位體積的材料每升高1oC時所需要吸收的熱量，在吸收同樣熱量的條件下，熱容越大溫升越小。含硅酸鹽類粗骨料高強(qiáng)混凝土的熱容基本上不隨溫度變化，除了在接近500oC處略有升高外。而碳酸鹽類粗骨料高強(qiáng)混凝土和普通混凝土的熱容在700oC處有一峰值，兩者的區(qū)別出現(xiàn)在400oC 到 600oC范圍內(nèi)。3.2 混凝土熱工參數(shù)對溫度場的影響 對四組具有不同混凝土熱工系數(shù)，截面高度為280mm的方形混凝土柱進(jìn)行分析對比，火災(zāi)升溫采用AS

10、TM E119-88火災(zāi)溫度曲線18。四組混凝土柱的熱工參數(shù)為：第1組：采用普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容；第2組：采用具有碳酸鹽粗骨料高強(qiáng)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和普通混凝土的熱容；第3組：采用普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和具有碳酸鹽粗骨料高強(qiáng)混凝土的熱容；第4組：采用具有碳酸鹽粗骨料高強(qiáng)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容。(a) 表面(b) d=70mm(c) d=140mm(centre)圖 3 離柱表面不同深度的溫度圖3 為柱表面、離柱表面 70 mm 和 140mm (柱中心)處的溫度。圖中的曲線編號與上述組的編號是對應(yīng)的?？梢钥吹?，采用不同熱工參數(shù)的計算結(jié)果對柱表面溫度影響很小，而越往柱中心處其影響越大。采用高強(qiáng)

11、混凝土熱工系數(shù)的計算結(jié)果最高，而采用普通混凝土熱工參數(shù)的計算結(jié)果最低，采用其他熱工參數(shù)的兩組計算結(jié)果界于其間。從圖中還可看到，曲線1和3的差距要大于曲線1和2的差距，同樣曲線4和2的差距要大于曲線4和3的差距，由此可見熱容的變化比導(dǎo)熱系數(shù)的變化對混凝土柱溫度場的影響要來得大。4 自密實混凝土的溫度場 文獻(xiàn)9, 10報道了自密實混凝土柱在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線下的實驗結(jié)果，其中有些柱的混凝土中摻入了聚丙烯纖維。大部分未摻入聚丙烯纖維的柱在火災(zāi)實驗中均有比較嚴(yán)重的爆裂，本文選擇了其中兩根未摻入聚丙烯纖維而且爆裂較為輕微的柱，將其溫度測試結(jié)果與計算結(jié)果進(jìn)行對比。根據(jù)初步的分析，采用上節(jié)中第1到第

12、3組熱工參數(shù)的溫度計算值均低于試驗值，最終選擇高強(qiáng)混凝土的熱工參數(shù)進(jìn)行計算。柱為方形柱，尺寸為200×200×2000mm。碳酸鹽粗骨料硅酸鹽粗骨料(a) 柱70BG0-2碳酸鹽粗骨料硅酸鹽粗骨料(b) 柱70BG0-3圖4 自密實混凝土柱的溫度分布距離柱表面不同深度處（10,25,50,100mm）的溫度計算值和實驗值的對比見圖4。分別采用硅酸鹽類和碳酸鹽類粗骨料高強(qiáng)混凝土的熱工系數(shù)進(jìn)行了分析。從圖中可以看到，計算結(jié)果與試驗結(jié)果總體吻合良好。接近柱表面處（10 mm ）溫度的試驗值和計算值有所偏差，其主要原因是自密實混凝土柱在高溫下，柱表面出現(xiàn)的爆裂現(xiàn)象所造成的。柱中心部

13、位（100mm）溫度實驗值和理論值的偏差主要是由于自密實混凝土柱受熱后水蒸汽向柱中心處轉(zhuǎn)移所造成的，因為計算模型中沒有考慮水蒸汽向柱中心處轉(zhuǎn)移對溫度的影響?？梢钥吹?，溫度的計算值總是略低于試驗值，根據(jù)上節(jié)的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)采用高強(qiáng)混凝土的熱工系數(shù)計算自密實混凝土柱的溫度場將比采用普通混凝土的熱工系數(shù)更接近試驗值。5 結(jié)論根據(jù)上述的研究，可以得到如下的結(jié)論：l 通過修改鋼管混凝土柱溫度場計算模型的邊界條件可得到混凝土柱溫度場的數(shù)值計算模型，模型的計算結(jié)果得到試驗結(jié)果的驗證。l 分析了混凝土熱工系數(shù)的變化對混凝土柱溫度場計算結(jié)果的影響。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土熱工系數(shù)的變化對混凝土柱內(nèi)部溫度的影響大

14、于表面溫度的影響；熱容的變化對混凝土柱溫度場的影響比導(dǎo)熱系數(shù)的變化的影響顯著。l 高強(qiáng)混凝土熱工系數(shù)比普通混凝土的熱工系數(shù)更適合于計算自密實混凝土柱的溫度場。參考文獻(xiàn)1 Twilt, L. et. al. (1994), Design Guide for Structural Hollow Section Columns Exposed to Fire, CIDECT, Verlag TUV Rheinland, Germany.2 Journal of Structural Engineering, ASCE, 122(7), 776-782 3 J. Const. Steel Resear

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