含钢率对混凝土截面温度场分布的影响

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1、第３３卷第１期华侨大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１２０１２年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｑｉａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｊａｎ．２０１２文章编号：１０００５０１３（２０１２）０１００８９０５含钢率对混凝土截面温度场分布的影响杨清文，徐玉野，郑涌林，罗漪（华侨大学土木工程学院，福建厦门３６１０２１）摘要：将钢筋的圆形截面等效为面积相等的方形截面，采用四边形单元建立配置钢筋、型钢的混凝土截面的二维温度场分析模型，分析纵筋配筋率、型钢含钢率对混凝土截面温度场分布的影响．算例计算结果表明：

2、钢筋对截面温度场分布计算结果影响较小，钢筋的存在使保护层内混凝土的温度降低，核心混凝土的温度升高，忽略钢筋对截面温度场分布的影响是合理的．型钢对截面温度场分布的计算结果影响较大，受火１８０ｍｉｎ内混凝土截面内型钢翼缘中心处和截面形心处温度计算结果最大分别相差１７．１℃和９８．７℃；高温下型钢混凝土构件的抗火性能研究中，需要考虑型钢对截面温度场分布的影响；型钢混凝土构件火灾灾后性能评定中，核心型钢的力学性能可基本恢复．关键词：混凝土；温度场；含钢率；影响规律；抗火性能中图分类号：ＴＵ３７５．３文献标志码：Ａ建筑火灾是建筑结构面

3、临的主要灾害之一，其可能导致结构倒塌，造成巨额损失和灾难性后果．因此，开展建筑结构抗火和灾后评定方面的研究工作十分必要．高温下结构构件的温度场分析，是进行结构抗火和灾后评定研究的基础．目前，研究人员在进行钢筋混凝土构件的温度场分析时，通常认为钢筋［１?３］［４］对截面温度场分布影响很小，可以忽略，从而将整个截面当作混凝土材料进行计算．王振清等利用弹塑性理论，分别给出钢筋和混凝土材料考虑温度变形和徐变变形热弹塑性问题的增量本构方程．在进行型钢混凝土构件的温度场计算分析时，文献［５?７］认为型钢的存在会加快截面内热传导，因此在温

4、度场计算分析时考虑了型钢的影响．含钢率对混凝土截面温度场分布存在一定影响，但是钢筋和型钢对温度场计算结果的影响程度尚未见文献做专门论述．本文将钢筋圆形截面等效为面积相等的方形截面，采用四边形单元建立钢筋混凝土截面、型钢混凝土截面的二维温度场分析模型，通过数值计算，研究含钢率对混凝土截面温度场计算结果的影响程度．１温度场分析模型及其试验验证高温下混凝土截面温度场分析的控制方程是一个非线性抛物线型偏微分方程，可用有限单元法求解．为简化分析，在计算过程中做如下３点假定：１）温度场分析独立于构件的内力和变形分析；２）忽略钢材和混凝土

5、之间的接触热阻；３）将钢筋的圆形截面等效为面积相等的方形截面，钢筋的形心位置不变，且不考虑箍筋的影响．钢材的热工参数随温度变化规律，采用文献［８］给出的相关公式确定；混凝土的热工参数随温度变化规律，采用文献［９］给出的相关公式确定．假定钢材的密度不随温度变化，保持为７８５０ｋｇ·ｍ－３．采［９］用欧洲规范建议的方法来考虑混凝土中含水量对温度场的影响，质量含水率取２％．利用国际上较著［１０］名的抗火分析软件ＳＡＦＩＲ进行分析计算，网格划分采用四节点单元．收稿日期：２０１１０７０７通信作者：徐玉野（１９７８），男，副教授，

6、主要从事结构防灾减灾的研究．Ｅｍａｉｌ：ｙｕｙｅｘｕ＠ｈｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９０８０９１）；中国博士后科研基金面上项目（２０１００４８０７５６）；福建省自然科学基金资助项目（２００９Ｊ０１２５６）；亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题（２００９ＫＢ１８）；福建省高校杰出青年科研人才培育计划项目（ＪＡ１０００５）；国务院侨办科研基金资助项目（１０ＱＺＲ０９）；华侨大学基本科研业务费专项基金资助项目（ＪＢ?ＳＪ１０１１）９０华侨大学学报（自然科学版）２０１２年采用该程序的温度场计算结果与

7、文献［１１］中的试验结果的对比，如图１所示．图１中：θ为温度；狋为时间；计算过程中考虑了钢筋布置的影响，柱的编号对应其在文献［１１］中的编号．（ａ）试件１（ｂ）试件２图１温度场计算结果与试验结果的比较Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ图２为图１中各温度测点的具体位置．从图２可以看出：温度场计算结果总体上与试验结果吻合较好，表明分析方法是有效的．计算值与试验值存在一定偏差主要有如下２个原因：１）热电偶的埋设位置存在一定误差，即由于热电偶是在混凝土

8、浇注之前埋设的，混凝土浇注过程中的振捣有可能使热电偶位置产生一定的偏离；２）混凝土的热工性能本身离散性较大，但是在数值模拟（ａ）试件１（ｂ）试件２中，又只能选定某种模型进行计算，由此可能导致温度场计算图２热电偶布置（ｍｍ）结果与试验结果之间产生一定的系统误差．Ｆｉｇ．２Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏ