火災(zāi)作用下鋼筋混凝土梁溫度場特征分析

劉子建 趙 俁

(1.揚(yáng)州市消防救援支隊(duì)，江蘇 揚(yáng)州 252001； 2.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 概述

隨著國家基建工程的快速發(fā)展，土建技術(shù)水平的不斷提升，城市中高層、超高層建筑、大型綜合體不斷涌現(xiàn)，建筑密度之大，使其安全性能及其防災(zāi)減災(zāi)受到越來越多的關(guān)注。近年來，火災(zāi)起數(shù)呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，城市高密度建筑的防火要求也隨之提高。鋼筋及混凝土材料是常見的熱惰性材料，在火災(zāi)作用下材料溫度顯著升高，使得材料發(fā)生劣化現(xiàn)象，從而使得相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱節(jié)點(diǎn)，影響建筑的安全性[1]。消防指戰(zhàn)員在進(jìn)行火情偵察、滅火救援、火災(zāi)調(diào)查等作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，需要進(jìn)入正在燃燒或燃燒后的建筑物內(nèi)搶救人民生命財(cái)產(chǎn)、熟悉火場情況，而在火災(zāi)作用下，梁、板、柱等建筑物構(gòu)件的溫度會(huì)急劇升高，由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅降低會(huì)對消防指戰(zhàn)員的安全帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。多次火災(zāi)表明，一旦建筑的梁或柱等重要結(jié)構(gòu)發(fā)生材料劣化，或者出現(xiàn)薄弱節(jié)點(diǎn)，則直接影響整個(gè)建筑的安全性，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。這也說明提高建筑結(jié)構(gòu)的防火性能刻不容緩，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)作用下的溫度場研究，對消防領(lǐng)域內(nèi)的滅火、防火工作具有極其重要的理論研究與實(shí)踐的意義。

目前，關(guān)于建筑重要結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的溫度變化分析，已經(jīng)有不少研究成果。陸洲導(dǎo)等[2]利用數(shù)值模擬的方法研究了混凝土柱在環(huán)境溫度增加的情況下柱體溫度的變化規(guī)律，且給出了相應(yīng)的程序結(jié)果。楊華等[3]分析了混凝土柱隨之外界溫度增加的溫度場分布，并且展開討論了不同因素影響下柱截面的溫度分布規(guī)律。

本文利用Abaqus有限元分析軟件，建立了鋼筋混凝土梁受火時(shí)的計(jì)算模型，探討保護(hù)層厚度與非膨脹性防火涂料厚度對鋼筋及混凝土溫度場的影響。

2 鋼筋混凝土梁受火模型

2.1 熱傳導(dǎo)方程

當(dāng)鋼筋混凝土梁受到火災(zāi)作用時(shí)，相應(yīng)的鋼筋和混凝土材料的熱工參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而改變，即為溫度的函數(shù)。因此，火災(zāi)作用下，鋼筋和混凝土對熱的傳遞都是考慮瞬時(shí)溫度，因?yàn)椴煌瑫r(shí)刻溫度的參數(shù)不同。本文中，相應(yīng)材料的熱傳導(dǎo)方程滿足常規(guī)的傅里葉定律，具體見式(1)：

(1)

2.2 溫升曲線

實(shí)際中，火災(zāi)作用下溫度變化的規(guī)律較為復(fù)雜，很難用簡單的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，目前應(yīng)用比較廣泛的是國標(biāo)ISO—834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，相應(yīng)的表達(dá)式如式(2)所示：

T=T0+345lg(8t+1)

(2)

2.3 模型相關(guān)參數(shù)

1)混凝土和鋼筋的熱工性能。混凝土熱工性能：其在溫度增加的情況下，熱傳導(dǎo)系數(shù)的采用根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的表達(dá)式。高溫下，混凝土比熱的表達(dá)式采用的是歐洲規(guī)范，參見文獻(xiàn)[5]，另外，混凝土密度取值為ρc=2 500 kg/m3；鋼筋熱工性能：其在溫度增加的情況下，熱傳導(dǎo)系數(shù)的采用仍是文獻(xiàn)[4]中的表達(dá)式。高溫下鋼筋比熱表達(dá)式參照的是歐洲規(guī)范,參見文獻(xiàn)[6]，鋼筋密度取值為ρs=7 800 kg/m3；厚涂型防火涂料熱工性能：高溫下厚涂型防火涂料采用的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等詳細(xì)參見文獻(xiàn)[7],防火涂料的密度取值為ρf=240 kg/m3。

2)單元類型與界面參數(shù)選取。混凝土采用實(shí)體熱分析單元(DC3D8)，鋼筋采用傳熱連接單元(DC1D2)，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化技術(shù)劃分，以5 mm一個(gè)網(wǎng)格；鋼筋與混凝土之間采用綁定(tie)；構(gòu)件表面熱輻射系數(shù)ε=0.5，綜合換熱系數(shù)h=25 W/(m2·K)，初始溫度為20 ℃。

3)加熱方式。所有鋼筋混凝土構(gòu)件均采用三面受火的形式，采用國際標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線ISO—834模擬火災(zāi)發(fā)生后對梁的三個(gè)面進(jìn)行加熱，持續(xù)時(shí)間為3 h。

2.4 鋼筋混凝土梁受火模型

本次模擬B1～B4四個(gè)鋼筋混凝土梁工況，如表1所示。梁截面尺寸為150 mm×300 mm，長度為3 600 mm；上部縱筋直徑為16 mm，間距為900 mm；下部縱筋直徑為18 mm，間距為450 mm；箍筋直徑為6 mm，間距為200 mm。

表1 鋼筋混凝土梁模型工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同保護(hù)層厚度條件下鋼筋溫度場

圖1顯示了不同保護(hù)層厚度下，鋼筋的溫度變化。由圖1可知，保護(hù)層厚度增加，可顯著降低鋼筋的溫度，且離受火面越遠(yuǎn)的鋼筋，影響的程度越大。當(dāng)保護(hù)層厚度增加一倍時(shí)，近受火面的受拉鋼筋溫度減小約30.5%,遠(yuǎn)離受火面的受壓鋼筋溫度減小約52.5%。當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí)，如150 mm時(shí)，遠(yuǎn)離受火及靠近受火面的鋼筋溫度差異不大。另一方面，當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí)，鋼筋隨受火時(shí)間的增加升溫曲線呈現(xiàn)出抖升狀態(tài)，即短時(shí)間內(nèi)溫度迅速增加，隨之很快趨于平穩(wěn)。反之，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，鋼筋升溫曲線越緩，隨著時(shí)間的增加，鋼筋溫度呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。

3.2 不同厚度防火涂料下的鋼筋溫度場

圖2為混凝土保護(hù)層厚度不變時(shí)不同涂料厚度情況下，鋼筋的溫度變化。由圖2可知，無防火涂料時(shí)，鋼筋的溫度呈現(xiàn)抖升現(xiàn)象，且短時(shí)間內(nèi)立刻趨于平穩(wěn)線。相同條件下，涂抹防火涂料時(shí)鋼筋的溫度比無防火涂料的情況下顯著降低，降低值約為42%，且增加防火涂料后，鋼筋的溫度變化曲線變得平緩增加。但防火涂料的厚度變化對溫度降低的影響程度不大，當(dāng)涂料層厚度增加一倍時(shí)，近受火面的受拉鋼筋溫度降低僅約5.8%，這也說明，防火涂料的有無影響很大，但防火涂料的厚度影響并非那么顯著。此外，遠(yuǎn)離受火面的受壓鋼筋溫度反而略顯增加，這是由于防火涂料對受火面存在一個(gè)明顯的隔火作用，從而使得溫度向著背火面爬升。

3.3 不同厚度防火涂料下混凝土溫度場

圖3為不同防火涂料厚度下混凝土(中截面中心處)的溫度變化。由圖3可知，涂抹防火涂料可較大幅度地降低混凝土的溫度，降低幅度達(dá)56.4%，相比圖2而言，防火涂料對混凝土起的作用要高于對鋼筋的作用。因此，涂抹防火涂料仍可以較大程度地提高鋼筋混凝土梁的防火性能。隨著防火涂料厚度的增加，混凝土溫度繼續(xù)降低，但降低的幅度不大，僅為16.9%。這也說明，防火涂料的有無對鋼筋混凝土梁的防火性能影響很大，但其厚度增加帶來的梁溫度變化并不顯著。

4 結(jié)論

基于本文鋼筋混凝土梁三面受火的模型可知，在涂抹防火涂料及增加混凝土保護(hù)層厚度的情況下，均能提高梁的防火性能。得到的結(jié)論主要有以下四個(gè)方面：

1)提高鋼筋混凝土梁的保護(hù)層厚度，可以有效減少受拉(壓)鋼筋的溫升幅度，對靠近受火面的受拉鋼筋作用更為明顯。當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度增加一倍時(shí)，近受火面的受拉鋼筋溫度降低約52.5%，遠(yuǎn)離受火面的受壓鋼筋溫度降低約30.5%。2)涂抹防火材料時(shí)可有效減少鋼筋的溫升幅度，減少幅度達(dá)約42%。當(dāng)防火涂料的厚度增加一倍時(shí)，同等受火條件下鋼筋的溫度繼續(xù)降低，但降低的幅度不大。3)涂抹防火材料時(shí)可有效減少混凝土的溫升幅度，減少幅度與防火涂料的厚度有關(guān)。提高鋼筋混凝土表面防火涂料厚度，可以有效減少混凝土中心界面的溫升幅度，在提高一倍保護(hù)層厚度的情況下，溫度減少了16.9%。4)從溫度變化幅度及經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度出發(fā)，增加混凝土保護(hù)層厚度，對提升鋼筋混凝土梁的受火性能更為合理。