火災下鋼筋混凝土梁溫度場數值模擬研究

劉寬宇 楊曉娟 湯鐵錚 劉俊 金曉清

（1.重慶大學航空航天學院，重慶 400044；2.廈門中構信息技術有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在我國大力發展裝配式建筑的背景下，鋼結構因其重量輕、強度高、施工便捷、高裝配性等優點而被廣泛應用。但在高溫環境中，鋼筋混凝土結構的材料性能明顯降低，其承載能力和耐火性能會急劇下降［1-3］。目前，一些鋼筋混凝土建筑物通過涂抹防火涂料來提高耐火極限。因此，研究高溫火災環境下防火涂料對鋼筋混凝土梁的影響尤為重要。

目前，對建筑鋼筋混凝土結構在火災作用下的溫度變化分析已有不少研究成果。陳科等［4］采用有限元軟件ABAQUS進行建模，并對鋼筋混凝土平面框架在火災作用下的溫度場分布進行計算。劉子建等［5］對鋼筋混凝土梁三面受火作用下的溫度場變化進行模擬，并分析混凝土保護層厚度、防火涂料厚度等關鍵因素對溫度場的影響。屈凱［6］采用ABAQUS軟件對鋼筋混凝土板的截面溫度場進行分析，分析各參數對構件耐火極限的影響規律。邱源等［7］對高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、混凝土骨料類型等的鋼筋混凝土梁進行高溫反應分析，并總結各參數對梁截面溫度場的影響規律。

本研究基于國內外規范和研究來確定材料性能參數，利用ABAQUS有限元分析軟件，來研究高溫環境下鋼筋混凝土結構截面的溫度分布規律，并對其涂抹防火涂層后的耐火性進行研究，可為鋼筋混凝土結構的防火設計提供參考。

1 鋼筋混凝土梁受火模型

1.1 基本假設

影響鋼筋混凝土梁橫截面溫度場分布的因素眾多，本研究對鋼筋混凝土連續梁溫度場的計算進行簡化，具體簡化及假定如下。①不考慮防火涂層導熱系數等參數的變化。②假定防火涂層和混凝土界面間的黏結滑移不計［8］。③鋼筋混凝土梁的初始溫度與環境溫度一致。④近似認為溫度場在沿長度方向不變，把三維的溫度場問題轉化成二維溫度場問題。

基于上述假設，建立鋼筋混凝土梁截面二維傳熱模型，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土梁二維瞬態傳熱模型

1.2 模型相關參數

1.2.1 材料熱工參數。在進行鋼筋混凝土抗火計算時，材料的相關物理特性包括熱膨脹系數、熱傳導系數、比熱、密度等，本研究采用Lie等［9］建議的計算公式。

選取的鋼材導熱系數ks隨溫度T(℃)的變化關系見式（1）。

質量密度ρs=7 850 kg/m3，比熱(cs)和密度(ρs)乘積表達式見式（2）。

熱膨脹系數(αs)的計算公式見式（3）。

選取的混凝土材料導熱系數kc隨溫度變化的關系見式（4）。

質量密度ρc=2 350 kg/m3，比熱(cc)和密度(ρc)的乘積表達式見式（5）。

熱膨脹系數αc=( 0.008T+6)×10-6m/m·℃。

防火涂料熱工參數如表1所示。

表1 防火涂料熱工參數［10-12］

1.2.2 網格劃分。鋼筋混凝土截面尺寸為200 mm×400 mm，鋼筋尺寸為Φ22 mm，分析過程中網格單元類型為傳熱單元DC2D4和DC2D3，并以DC2D4為主。

1.2.3 載荷和邊界條件。升溫前部件的初始溫度為環境溫度20℃。采用ISO834火災標準升溫曲線［13］升溫加載，見式（6）。

式中：T為t()min時刻的溫度；T0為初始溫度。

鋼筋、防火涂層以及混凝土間采用Tie約束，火災工況為四面受火。分析布設為瞬態熱傳遞，持續時間為180 min，對流傳熱系數取25 W/（m2·K），本研究不考慮涂料的脫落和變形等對防火保護效果的影響［14］。

2 鋼筋混凝土梁截面溫度場分析

通過上述有限元模型可計算出火災作用下梁截面的溫度變化，無涂層梁截面中心節點溫度變化曲線如圖2所示，受火結束后節點溫度為566.2℃。

圖2 鋼筋混凝土梁截面溫度曲線分布（無涂層）

對有涂層的模型進行受火后的溫度分析。超薄型涂層的厚度在3 mm以內，薄型防火涂料的厚度一般為7～8 mm，則厚型防火涂料的厚度在8～50 mm［15］。研究1 mm、2 mm和3 mm的超薄型涂層，5 mm、6 mm和8 mm的薄型涂層厚度以及10 mm、20 mm和40 mm的厚型涂層下梁截面的溫度分布。

圖3是超薄型涂層下中心節點溫度變化曲線。在涂抹超薄型涂料后，溫度較無涂層時明顯降低。隨著時間的增加，溫度逐漸升高，且涂層越厚溫度越低。這是因為在高溫環境下，防火涂料的導熱系數低，有較好的隔熱作用，能有效阻隔熱量向內部的傳遞，從而有效降低鋼筋表面的溫度，且隨著涂層厚度的增加，這種效果會越來越明顯。

圖3 不同超薄型涂層厚度下鋼筋溫度變化

圖4是有薄型涂層的截面中心部位溫度隨時間變化曲線。涂層越厚，受火后溫度越低，且溫度較超薄型涂層有所下降。

圖4 不同薄型涂層厚度下鋼筋溫度變化

圖5是厚型涂層梁中心部位的溫度變化曲線。涂層越厚，溫度越低。不同的是，厚型涂層下的溫度較高，這是因為超薄型和薄型防火涂料是膨脹型防火涂料，遇火后防火涂料膨脹發泡，從而形成炭化隔熱保護層，隔絕氧氣，其厚度通常是原來的數倍，延緩基材的升溫，從而提高鋼筋混凝土梁的耐火極限［16］。

圖5 不同薄型涂層厚度下鋼筋溫度變化

3 結論

為了探究防火涂料對高溫環境下鋼筋混凝土梁溫度分布的影響，本研究使用ABAQUS有限元軟件對火災下鋼筋混凝土梁的溫度進行分析，可得到以下結論。

①涂有三種不同類型防火涂層后，梁截面的溫度均有不同程度的降低，這說明涂抹防火涂料的保護措施是可行的。

②涂抹相同類型涂料時，涂層越厚，同一時刻下鋼筋的溫度越低，對梁的保護效果越好。

③涂有膨脹型防火涂料（超薄型和薄型）的梁截面的溫度更低，其對梁的保護效果更好。