火災(zāi)下木－混凝土組合梁溫度場數(shù)值模擬

杜 浩，胡夏閩，洪 萬

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京  210009）

    摘 要：利用ANSYS有限元分析軟件，對ISO834升溫曲線下木－混凝土組合梁的溫度場分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了混凝土板和木模板厚度對火災(zāi)下組合梁溫度場的影響。結(jié)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(fā)展；混凝土板下翼緣設(shè)置木模板可以很好地延緩混凝土板截面上溫度場的發(fā)展。計(jì)算結(jié)果可為工程中抗火設(shè)計(jì)以及火災(zāi)下木－混凝土組合梁的力學(xué)性能分析提供參考。

     關(guān)鍵詞：木－混凝土組合梁；木模板；火災(zāi)；溫度場；AN- SYS

 中圖分類號：X913.4,TK121,TU377 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 

 文章編號：1009-0029(2017)01-0001-04

木－混凝土組合梁是在木梁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)構(gòu)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，綜合了兩種建筑材料的優(yōu)勢。因此，吸引了不少學(xué)者對木－混凝土組合梁性能開展系統(tǒng)研究。研究表明，木－混凝土組合梁與傳統(tǒng)的木梁相比，可以大大增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，并提高隔音性能和抗火性能，特別適用于多高層和大跨度木結(jié)構(gòu)建筑。但由于木－混凝土組合梁是一種新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對其抗火性能及抗火設(shè)計(jì)方法的研究工作尚不完善。

2003年，Frangi和Fontan針對火災(zāi)時(shí)材料熱膨脹對木－混凝土組合梁性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，熱膨脹效應(yīng)會導(dǎo)致截面上的殘余熱應(yīng)力，然而殘余熱應(yīng)力與外部荷載導(dǎo)致的應(yīng)力相比很小，因此可在梁板抗火性能的計(jì)算中忽略熱膨脹的影響。2011年，QNeill等人對木－混凝土組合梁的破壞模式和抗火性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)的作用下，木材發(fā)生炭化導(dǎo)致木梁有效截面尺寸逐漸減少；由于連接件產(chǎn)生的組合作用，樓板能夠承受較長時(shí)間的火災(zāi)，耐火極限超過一個小時(shí)。2013年，MeenaR等人則對一種新型木－混凝土組合體系的抗火性能進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究。其試驗(yàn)表明，木－混凝土組合結(jié)構(gòu)的有效耐火等級可達(dá)到60 min. 2014年，

Frangi等人提出一種針對火災(zāi)下木－混凝土螺釘連接組合梁的簡化計(jì)算方法，通過修正系數(shù)Kｍｏｄ，ｆｉ來考慮溫度對木材、混凝土和                                                        連接件力學(xué)性能的影響。

使用有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合文獻(xiàn)［6］中相關(guān)的抗火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對ISO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線下木－混凝土組合梁的溫度場分析模型進(jìn)行驗(yàn)證；對火災(zāi)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(jìn)行對比分析。

1   材料的熱工性能

材料的熱工性能參數(shù)會影響構(gòu)件內(nèi)部溫度場的分布情況。而且材料在不同的溫度條件下會發(fā)生不同的物理和化學(xué)反應(yīng)，從而影響材料的熱工性能以及力學(xué)性能。因此，在有限元分析過程中要系統(tǒng)、合理地選取各參數(shù)值。材料的熱工性能參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容。本文有限元計(jì)算模型中木材的熱工參數(shù)均采用歐洲規(guī)范5給出的參數(shù)值。混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均采用歐洲規(guī)范4建議的數(shù)值，而密度可以看作是常數(shù)。

2   模型驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)［6］中木－混凝土組合梁的試驗(yàn)尺寸，建立有限元分析模型，組合梁的跨度為4.5m，木梁的截面尺寸為126mm*300mm，混凝土板的截面尺寸為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(hù)措施。試驗(yàn)過程中構(gòu)件截面的溫

度場分布主要是通過熱電偶來記錄，構(gòu)件內(nèi)熱電偶測溫點(diǎn)的具體位置以及測點(diǎn)編號，見圖１所示。

有限元分析模型中木梁、木模板和混凝土板采用熱傳導(dǎo)的三維實(shí)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(dǎo)系數(shù)相同。因?yàn)殇摻罹W(wǎng)對其所在區(qū)域溫度場分布產(chǎn)生影響的范圍和幅度很小，所以在有限元分析中忽略混凝土板內(nèi)鋼筋對溫度場分布的影響。有限元模型中邊界條件的設(shè)定如圖1所示，其中AB 邊為背火面，與常溫空氣接觸，設(shè)定為對流換熱邊界條件；AH、BC邊為對稱邊界，采用絕熱邊界條件；CD、DE、EF、FG、GH邊與熱空氣相接觸邊界條件設(shè)定為對流換熱和熱輻射條件。采用的熱對流換熱系數(shù)為25 W／（㎡·℃），熱輻射率為0.8。試驗(yàn)時(shí)爐溫采用的是ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，并且測得火爐內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

ANSYS溫度場數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)的木－混凝土組合梁的截面上各點(diǎn)實(shí)測溫度比較，如圖2所示。圖3為有限元分析中木梁截面在30、60 min兩個時(shí)刻的溫度場分布云圖。

由圖2可知，木－混凝土組合梁溫度場試驗(yàn)和有限元分析出的升溫曲線變化趨勢基本是相同的。測點(diǎn)1和測點(diǎn)2位于木梁中心處，木－混凝土組合梁溫度場試驗(yàn)中，木梁由兩根63 mm寬的木梁機(jī)械連接而成，在試驗(yàn)過程中木梁下端發(fā)生分離現(xiàn)象，從而加大木梁底部受火面積，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(xiàn)象，所以測點(diǎn)１和測點(diǎn)２有限元模擬值要略低于試驗(yàn)值。由圖3可以看出木梁溫度分層明顯，木梁的截面沿寬度和高度方向呈現(xiàn)明顯的溫度梯度，溫度從最外側(cè)的受火面向木梁內(nèi)部遞減。木梁下端角部是兩面受火，會加速其在火災(zāi)中受熱炭化。

所以在試驗(yàn)中木梁下端角部形狀會發(fā)生圓角效應(yīng)，從圖3可以得到有限元分析結(jié)果與此試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

上述比較分析表明，有限元模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了所采用的分析模型的合理性。

3 參數(shù)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0、50、100、150 mm情況下組合梁的溫度場分布進(jìn)行分析，得到受火60 min后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(fā)展，這主要是因?yàn)樵谡麄€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 mm和150 mm時(shí)木梁頂部的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)兩者間木梁頂部的溫度分布差別不大，顯然當(dāng)混凝土板的厚度達(dá)到100 mm后，再繼續(xù)增加混凝土板厚度，其對木梁頂部的保護(hù)作用基本上沒有提高。從圖中還發(fā)現(xiàn)，木－混凝土 組合梁中木梁中心處溫度要略高于純木梁中心處溫度，這主要是因?yàn)榉治瞿Ｐ椭屑兡玖号c組合梁受火面不同，純木梁三面受火，而木－混凝土組合梁又增加了混凝土板底為受熱面，火災(zāi)