圆钢管混凝土构件温度场的数值模拟

第２Ｏ卷第３期　湖南工程学院学报　Ｖｏ１．２０．］７ｏ．３　２０１０年９月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｅｐｔ．２０１０　圆钢管混凝土构件温度场的数值模拟　吴晶晶　（合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥２３０００９）　摘要：火灾下圆钢管混凝土柱的热量传递是瞬态传热，求解截面温度实际上是求解截面内部的热传　导方程．文中采用了大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对钢管混凝土截面进行了计算和分析，计算结果和文献　试验结果吻合较好，证明了ＡＢＡＱＵＳ软件进行构件截面温度场的理论计算有一定的精度，其方法是可　靠的．　．　关键词：钢管混凝土；温度场；ＡＢＡＱＵＳ　中图分类号：ＴＵ３９８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—１１９Ｘ（２０１０）０３－－００８１一Ｏ４　钢管混凝土是混凝土填人薄壁钢管而形成的一　热系数；ｔ为火灾燃烧时间．　种组合材料，且具有良好的抗震性能和耐火性能，经　一般，可忽略材料的自发热，即ｑｄ一０，则简化　济效益高，其应用日益广泛．而结构的高温力学反　后的微分方程为；　应，包括内力、变形、承载力等都需要取决于结构和　ｒＤ＝构件的温度场及其变化过程［１　］．ＡＢＡＱＵＳ是一　ｘ（磐Ｏｘ＋碧‘　Ｏｙ＋磐　。Ｄｚ　１Ｊ　（３）　种大型通用非线性有限元软件，进行材料热力性能　取构件的初始温度为室温Ｔ０，构件在高温作用　分析方法通常有顺序耦合热应力分析和完全耦合热　下时，受火面一般存在对流（．１ｌ　）和辐射（＾，）两种热　应力分析．本文拟采用顺序耦合对构件热力性能进　交换方式，对流传热系数一般取综合辐热系数ａ　一　行分析，要首先掌握柱截面构件温度场的分布规律，　２５　Ｗ／（ｍ。・℃）．　因为这是分析高温环境下钢管柱力学性能的必要途　导热微分方程是根据能量守恒定律导出的，所　径　．　以它是温度分析的最一般形式的数学表达式，它表　示在物体内部的各点温度同其位置的内在联系，应　１　温度场非线性有限元分析及其原理　用导热微分方程可以确定某一具体条件下导热过程　本文考虑火灾条件下圆钢管混凝土构件内部热　的温度场．对于导热偏微分方程来说，为了求解某一　量的传递过程．火灾下圆钢管混凝土柱的热量传递　具体条件下的温度场，还必须依靠定解条件，导热偏　是瞬态传热，所以求解截面温度实际上是求解截面　微分方程的定解条件包括几何条件、物理条件、初始　内部的热传导方程．由于环境温度随时问变化，并且　条件和边界条件等［２］．　考虑到材料热传导系数、热容以及密度等热工参数　也是关于时间的函数，圆钢管混凝土构件的温度场　２　ＩＳＯ一８３４标准升温曲线下的模型建立、　实际上是一个三维瞬态的温度场，可表示为：　计算及分析　Ｔ＝ｆ（ｘ，Ｙ，ｚ，￡）　（１）　其中Ｘ、Ｙ、　为结构某点的坐标；ｔ为温度．　温度场分析采用ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ模块．选　其热传导微分方程应为：　取Ｄ×￡一２１９×４．７８（ｒａｍ），Ｈ一３４００　ｍｍ按我国　塑一＝《建筑防火设计规范））ＧＢＪ１６—８７之规定采用＿【ＳＯ一　Ｏｔ＝＝　（毒（　筹＋十　＋筹）　十　）＋十　８３４标准升温曲线（曲线１），其表达式为：　其中，』Ｄ为材料的密度；Ｃ为比热容；　为材料导　—Ｔｏ＋３４５１ｇ（８ｔ＋１）　（４）　收稿日期：２Ｏ１０—０４—１５　作者简介；吴晶晶（１９８３一），男，硕士研究生，研究方向：工程结构仿真计算．　８２　湖南工程学院学报　２０１０年　式中，　为初始温度，一般取为２５（２９８　Ｋ）；Ｔｆ　为火场温度，升温时间ｔ（ｍｉｎ），钢管选用八节点对　流的三维实体单元（ＤＣＣ３Ｄ８），可以模拟钢管外表　在计算时如不考虑钢管混凝土的上下表面与环　境的对流换热时的温度随时间变化关系，及考虑表　面与环境对流换热温度随时间变化曲线如图５所　面与环境的对流放热，核心混凝土采用八节点线性　热传递的三维实体单元（ＤＣ３Ｄ８）建立模型，输入材　料特性，装配，定义分析步、接触［５　（钢材与混凝土间　接触热阻为０．００４　ｍ。．ｋ／ｗ）、温度荷载、划分网格后　计算，可以得到升温曲线１不同时刻下圆钢管混凝　土构件截面的温度场．如图２～图４所示．　图１圆钢管混凝土构件单元网格的　图２　２０　ｍｉｎ钢管截面的温度场划分　图３　５０　ｍｉｎ钢管截面的温度场　图４　８０　ｍｉｎ钢管截面的温度场　示．　图５　考虑对流换热与否的ｒ一￡关系对比　对比能够看出来，是否考虑表面与环境的对流　换热对温度场的计算有较大影响，而且可以看出来　这种影响是随着时间的增大而变大，但是这种变化　较为缓慢，可能是由于混凝土的传热系数比较小（热　惰性）的缘故．　圆钢管混凝土升温８０　ｍｉｎ后，（不考虑表面对　流换热）钢管的外表面的温度丁１随钢管直径Ｄ的　变化曲线（图６）及钢管核心混凝土中心温度Ｔ２随　钢管钢管外直径Ｄ变化的曲线．从图中可以看出存　在Ａ　与Ａｚ拐点，过拐点之后，温度随管径变化趋　缓或者基本不变化，此拐点为Ｔ—Ｄ变化曲线的特　征点．文献［２］指出当圆钢管的直径大于０．４　ｒｎ的时　候，这种影响就会趋于平缓，也即图７对应的Ａ。　点．同样的，钢管直径Ｄ的变化对钢管的外表面的　温度丁　的影响比较小，但是从图中能够看出同样　存在一个拐点Ａ　，使得这种变化更趋平缓，Ａ　所对　应的直径也大约是０．４　ｍ．　１０４６　：　图６钢管外表面温度Ｔ１与钢管外直径Ｄ关系　钢管混凝土中心卜Ｄ关系　图７钢管混凝土中心温度　与钢管外直径Ｄ关系　第３期　吴晶晶等：圆钢管混凝土构件温度场的数值模拟　０　Ｏ　８３　：　图　管壁厚；纵坐标丁为温度；横坐标ｔ为时间；ｄ为钢　８　３快速温升曲线下温度场的计算　材料参数不变，本文选取按照快速温升曲线（曲　管外表面到钢管内部测点的距离．　值　线２）对钢管混凝土进行升温，其数学表达式为：　值　Ｔ一７＂ｏ一４０２．９２（ｅ一　／。’　９３９．０７　＋１＿４ｅ一　／。・　）＋　（５）　ｔ／ｍｉｎ　式中，丁０为初始温度，一般取为２５（２９８　Ｋ）；Ｔｓ　为火场温度，升温时间ｔ也以分钟计，同样可以得到　不同时刻下圆钢管混凝土构件截面的温度场．（图９　～图１１）　４Ｏ　６ｏ　８Ｏ　１００　１２０　１４０　１６０　ｔ／ｍｉｎ　两种升温曲线图比较两种升温曲线的比较　图９　２０ｍｉｎ钢管截面的温度场　图１Ｏ　５０　ｍｉｎ钢管截面的温度场　图１１　８０　ｒａｉｎ钢管截面的温度场　图１２表示２种升温曲线的计算值与试验　。　值　的比较结果，图中Ｄ×ｔ中的Ｄ为钢管直径，ｔ为钢　温度场实测值与计算值的比较　图１２钢管实测温度与２种曲线程序计算值比较　从图１２能够看出，曲线２的升温曲线起：　较曲　线１迅速，并且这种变化超过５０　ｍｉｎ后趋缓，这是　理论计算值所能够反应的．ＡＢＡＱＵＳ软件的计算　值能够很好的反应出这种趋势，并且试验值与曲线　１的值较为吻合，说明对温度场的计算ＡＢＡＱＵＳ具　有一定的精度，其值是较为可靠的．　４　结　语　（１）文中采用了大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建　模，对钢管混凝土构件截面温度场进行计算、：分析与　比较，计算结果和文献　试验结果吻合较好，证明了　ＡＢＡＱｕｓ软件进行构件截面温度场的理论计算有　一定的精度，其方法是可靠的；且ＡＢＡＱｕｓ能够较　好的模拟出两种不同升温曲线下的温度场来模拟实　际情况中的不同炉温的温升曲线．　（２）在标准升温曲线下，计算温度场是否考虑　表面与环境的对流换热对温度场的计算有较大影　响，而且这种影响是随着温度的增大而变大，但是变　化并不快．且存在一种特征拐点去衡量钢管外径对　构件温度场影响的快慢程度．　（３）通过对比不同温升曲线下圆钢管混凝土温　度一时间的变化曲线可知：５ｏ　ｍｉｎ前快速升温曲线　下构件升温较快，５Ｏ　ｍｉｎ左右之后２种曲线下构件　温度变化基本相同，且两种曲线的这种差异在钢管　外表面较为明显，而越到钢管内部则趋于缓和，这可　能也是由于混凝土的热惰性的缘故．　参考　文献　［１］Ｌｉｅ，Ｔ．Ｔ．．Ｆｉｒｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｌｕｍｎｓ　Ｆｉｌｌｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｂａｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９４：１４８９——１５０９．　［２３韩林海．钢管混凝土结构：理论与实践［Ｍ］．北京：科学　技术出版社，２００７：２９１—２９２．　８４　湖南工程学院学报　２０１０年　１－３３　Ｌｉｅ，Ｔ．Ｔ．，Ｃｈａｂｏｔ，Ｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｆｉｒｅ　ｒｅ—　触热阻的试验研究［Ｊ］．油气田地面工程，２００３，２１　ｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｈｏｌｌｏｗ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ｆｉｌｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｌａｉｎ　ｃｏｎ—　（１５）：９０．　ｃｒｅｔｅ［－Ｒ］．ＮＲＣ—ＣＮＲＣ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ，１９９２：６５１．　［６］吴国忠，鲁刚，张文福，齐晗兵．火灾中圆钢管混凝土　［４］朱上．高温下钢管混凝土柱温度场的分析［Ｊ］．建筑结　温度场的数值模拟［Ｊ］．大庆石油学院学报，２００３，（１）：　构与设计，２００６，（５）：３６—３８．　７Ｏ一７４．　［５３卢丽冰齐晗兵王莉莉．混凝土结构钢管与混凝土间接　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｆｉｌｌｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｕｂｕｌａｒ　Ｃｏｌｕｍｎｓ　ＷＵ　Ｊｉｎｇ－ｊｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ，ａｎｄ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｃｔｕａｌｌｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＢＡＱＵＳ，ａ　ｗｅｌｌ　ｋｎｏｗｎ　ＦＥＭ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＢＡＱＵＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｈｏｗ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｒｅｌｉａ—　ｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｃｏｌｕｍｎｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ；ＡＢＡＱＵＳ　（上接第８Ｏ页）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｔｅｅｌ－。ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　Ｅｒ－ｍｏ　Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ　Ａ－ｒａｍｐ　Ｏｖｅｒｐａｓｓ　ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ，ＬＩＵ　Ｙｉ—ｈｅ，ＺＨＡＯ　Ｌｉａｎｇ，ＱＵ　Ｊｉａ　（Ｊｉｌｉｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｉｓｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｕｌｌｙ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｉｎ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍｓ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅｓｅ　ｔＷＯ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｗｏｒｋ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ＳＵ—　ｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅｙ　ａｒｅ　ｓｉｍｐｌｙ　ａｄｄｅｄ．Ｉｎ．ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉＳ　ｕｓｅｄ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅｓｅ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｇａｉｎ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ　ｉｎ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｅｒ－ｍｏ　ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ　Ａ－ｒａｍｐ　ｏｖｅｒｐａｓｓ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ｇｏｏｄ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｓ　ｂｒｉｇｈｔ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｅｅｌ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ；ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｎａｌｙｓｉｓ；