ANSYS在鋼筋混凝土梁熱分析中的應用
2011-12-31 00:00:00路立娜劉慶
中華建設科技 2011年11期
【摘 要】在火災荷載的條件下，鋼筋混凝土構件內部的溫度場分布，對火災后的構件能否繼續(xù)使用，具有重要的作用。ANSYS作為大型有限元軟件，在有限元分析中得到了普遍的應用.本文首先從混凝土梁截面熱分析入手，然后進行混凝土構件梁整體熱分析，從而比較兩者在熱分析中的誤差，從而得出ANSYS在熱分析中方法及思路。
【關鍵詞】ANSYS；熱分析；鋼筋混凝土梁
Reinforced concreted beam in the application of thermal analysis with ANSYS
Lu Li-na 1，2，Liu Qing 3
(1.College of Construction Engineering， Jilin University Changchun Jilin 130000;
2.Changchun Architecture Civil Engineering College Changchun Jilin 130000;
3. Institute of Building Fire Research of China Academy of Building Research Beijing 100013)
【Abstract】With the fire load conditions， the inside temperature field distribution of concrete beam has an important role on the components. As large-scale finite element software， the finite element analysis has gained widespread application. Comparing the thermal analysis of concrete beam section with the overall thermal analysis of concrete beams， and then draw the differences and similarities， which take thermal analysis in ANSYS in the methods and ideas.
【Key words】ANSYS;Thermal analysis;Reinforced concrete beam
1. 前言
組成鋼筋混凝土梁構件的材料，在火災荷載作用下，其熱工性能和力學性能會產(chǎn)生明顯的變化，變形也會明顯增大，由于構件在受火時，體積膨脹、截面溫度不均勻分布，都會使截面產(chǎn)生自平衡的溫度應力和構件彎曲變形［1］。在火災荷載條件下，混凝土梁內部溫度場的分布，對構件能否繼續(xù)使用，將產(chǎn)生重大的影響，而有限元軟件的誕生，正好可以幫助研究者進行一系列的模擬分析，從而得出一系列有建設性的結論。
2. 溫度場
將某一瞬間物體內各點溫度分布的總稱稱為溫度場。一般來說，它是空間坐標和時間坐標的函數(shù)。在笛卡爾坐標中溫度場可表示為：
T=T（x，y，z，t）(1)
溫度場分為兩大類：溫度不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)溫度場和溫度隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場。式(1)表示非穩(wěn)態(tài)溫度場，式(2)表示穩(wěn)態(tài)溫度場：
T=T（x，y，z），Tt =0 (2)
此次模擬溫度場為瞬態(tài)的，根據(jù)坐標的維數(shù)，瞬變溫度場可分為一維、二維和三維。若溫度的變化是二維的，則二維溫度場可以表示為：
T=T（x，y，t），Tz =0(3)
如果溫度的變化只是一維坐標的函數(shù)，則稱溫度場是一維的，表達式為：
T=T（x，t），Ty =Tz =0 (4)
3. 傳熱方式
傳熱一般由導熱、熱對流和熱輻射三種形式組成。
（1）導熱。
在一個連續(xù)介質中若有溫差存在，或者兩個溫度不同的物體直接接觸時，在物體內沒有可見的宏觀物質流動時所發(fā)生的傳熱，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導，簡稱導熱。
（2）熱對流。
有流體存在，并有流體宏觀運動情況下下，所發(fā)生的傳熱現(xiàn)象，成為熱對流。在一般的情況下，熱對流同時伴隨著導熱，構成復雜的熱量傳遞過程。高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象，主要原因在于高溫物體表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動，與此同時，密度較大的冷空氣將下降并代替原來的受熱空氣，從而形成了熱對流。
（3）熱輻射。
物體因受熱發(fā)出輻射熱能，從而使得高溫物體失去熱量而低溫物體得到熱量，輻射不需要物體之間的直接接觸，也不需要任何中間介質。
4. 梁截面有限元模擬
4.1 單元選擇。
本次分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照傳熱學相關原理模擬高溫下混凝土的熱工性能以及試驗的邊界條件，從而分析和計算構件內部溫度場的分布，由于混凝土梁長度遠遠大于寬度，所以可以采用二維平面熱傳導，來分析其截面的溫度場分布。
由于軟件模擬畢竟本身存在一些瑕疵，在模擬過程中可能存在不收斂、模擬出來的結果與實際結果差距太大等等可能存在的一些問題，所以在考慮的過程中，需要一些理想化的條件來支撐，主要又以下幾點［2］：
（1）為了比較實際的模擬，假定梁截面三面受火的時候，三面同時升溫，而且升溫幅度一樣，然后在熱傳導的過程中，各向同性并且比較均勻。
（2）不考慮組成混凝土材料，在高溫過程中，產(chǎn)生的一些影響，而且假定其內部無熱源。
（3）按照最小配筋率進行考慮，鋼筋占構件的總體積比例很小，考慮到鋼筋熱傳導系數(shù)較大，因此假定在分析溫度場時鋼筋的影響可以忽略不計。
所以此次建模選用PLANE55，假定梁截面寬度為200mm，高度為400mm。
該單元為平面熱單元，一般將其作為二維傳熱能力的平面或軸對稱環(huán)單元使用，此單元共有4個節(jié)點，每個節(jié)點具有1個溫度自由度，由于混凝土自身的熱惰性，所以構件內部將會出現(xiàn)比較大的溫度梯度，所以在建模時要把網(wǎng)格單元劃分的比較密集一些，從而實現(xiàn)模擬的準確化，對于此次模擬而言，單元邊長取為10mm。梁單元劃分見圖1。
4.2 升溫曲線。
本次模擬采用的升溫曲線為ISO標準時間——溫度曲線T=345lg（8t+1）+t0 （如圖2所示），此曲線的實質是提供一個能合理代表火災發(fā)生條件的標準環(huán)境條件。
4.3 熱工參數(shù)。
在本次ANSYS熱分析中，只考慮質量密度(density)、比熱容(specific heat)、傳導率 (conductivity)與換熱系數(shù) (convention)在溫度荷載作用下的變化［3～5］，如表1、圖3～圖6所示。
4.4 結果分析。
由圖7混凝土梁截面不同時間點的溫度場云圖可以看出，隨著溫度的升高，由于熱傳導和輻射的綜合原因，構件截面溫度也在逐步的升高，從模擬途中可以看出，由于構件梁是三面受火，所以兩個側面和一個底面溫度是最高的，然后頂面溫度是最低的，大致呈U型分布。在構件梁底層受拉處兩個端點，即靠近受力鋼筋的地方溫度也是比較高的，也是工程中需要重點保護的位置，而鋼筋在500℃～600℃左右的時候，其力學性能將會發(fā)生巨大的變化，從而使構件梁承載力發(fā)生巨大的變化，從這一點可以看出，增加混凝土的保護層厚度是非常重要的。
5. 梁實體有限元分析
5.1 單元選擇。
（1）混凝土單元。
采用Solid70 3-D熱實體單元。該單元有8個節(jié)點且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導能力，所以可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析并且能夠實現(xiàn)勻速熱流的傳遞；假如模型包括實體傳遞結構單元，那么也可以進行結構分析，此單元能夠用等效的結構單元代替（如Soild45單元）。
（2）鋼筋單元。
采用Link33單元。該單元用于節(jié)點間的單軸熱傳導，在每個節(jié)點上只有一個溫度自由度。熱傳導桿單元可用于穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的熱分析問題。
5.2 組合形式。
常見的鋼筋和混凝土的組合可以有如下的兩種方式：
（1）離散式模型。
離散鋼筋單元（discrete element），一般采用Link8 (Link33)桿單元來建立鋼筋，離散鋼筋的Link8 (Link33)單元與混凝土單元共用節(jié)點，以實現(xiàn)整體工作過程中自由度的耦合。
（2）整體式模型。
整體式模型又稱為彌散鋼筋單元（smeared element），直接在Solid65單元中通過定義實數(shù)的途徑來實現(xiàn)。其優(yōu)勢在于建模簡便，但無法得到鋼筋的內力。
此次模擬分析鋼筋和混凝土的組合方式選擇離散式模型。
5.3 結果分析。
混凝土梁在熱分析過程中，升溫曲線和熱工參數(shù)的選取等同于4.2和4.3節(jié)。建立如圖8、圖9所示的模型進行有限元分析。
由圖10、圖11不同時間點的溫度場云圖得知：隨著模擬時間的增長，構件內部溫度逐漸升高，兩個受拉區(qū)角部溫度最高，同樣呈現(xiàn)U型分布，而且混凝土梁內部任何一個截面的溫度分布趨勢與利用平面單元進行梁截面分析結果是一致的。
6. 結論
混凝土梁在有限元熱分析中，實體單元節(jié)點數(shù)龐大，導致計算冗繁，給計算帶了困難，而采用一些與實際情況相一致的假設條件，可以利用平面單元進行簡化，從而可以利用混凝土梁的某一個截面來模擬其整體在火災荷載條件下，內部溫度場的分布情況，從而給計算帶來簡便。
參考文獻
［1］ 時旭東，過鎮(zhèn)海．鋼筋混凝土結構的溫度場［J］．工程力學，1996，13(1)：35～43．
［2］ 劉慶.鋼筋混凝土簡支梁抗火性能的試驗研究.北京建筑工程學院， 2011.
［3］ Commission of the European Communities．Eurocode2：Design of Concrete Structures-Part 10：Structural Fire Design［S］，1990．
［4］ Harmathy T Z．Thermal Properties of Concrete at Elevated Temperatures［J］．ASTM Journal of Materials，1970，5(1)：47～74.
［5］ J . A. Purkiss ， S. L. Caridge and P. S. Durkin : Calibration of simple methods ofcalculating the safety of flexural reinforcedconcrete members ， Fire Safety Journal ， 15 ， 1989 PP245 ～263.
［文章編號］1619-2737（2011）10-26-302
［作者簡介］ 路立娜（1977-），女，職務：講教，從事建筑工程專業(yè)教學工作，現(xiàn)就讀于吉林大學建設工程學院，2003年畢業(yè)于哈爾濱工程大學。
