钢筋混凝土双向板在高温下的数值模拟

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会钢筋混凝土双向板在高温下的数值模拟唐贵和黄金林(华胃农业大学水利与土木1．程学院。r州510642)摘要。钢筋混凝土楼板对整个结构的抗火起十分重要的作用。利用有限元软件ABAqUs对高温下钢筋捏凝土板三维瞬态温度场和三维力学性能进行了非线性分析，数值模拟结果与其他学者的试验结果吻合较好。结果表明r配箭宰是影咆钢筋混凝土板耐火性能的主要脚素。奉文的研究成果可为钢筋混凝士楼板的抗火设计提供参考。关键词：高温，数值模拟，钢筋混凝土，双向板一、研究进展及其存在问题火灾中，钢筋混凝土楼板直接承受火荷载，而且板的厚度较小，钢筋保护层较薄，所以火灾时钢筋混凝土楼板是整个结

2、构中最薄弱的环节。钢筋混凝土楼板火灾受损的主要原因是板中的钢筋因高温作用而强度降低，从而导致扳抗弯承载力降低，加之板的刚度下降，挠度和裂缝增加而导致板的破坏’11。耐火试验费用昂贵，在有限的试验数据基础上进行数值分析和模拟是十分必要的。钢筋混凝土构件高温下的数值模拟一般分为两个阶段，一是温度场分析；一是力学性能分析。现在不管是温度场分析还是力学性能分析一般部采用有限元法。L面0nt利辟j有限元程序HADAPT对组合楼板的温度场进行了分析，该程序假设水分在100℃时发生相变来考虑水分蒸发对温度场的影响”’。Lim进行了钢筋混凝土板和组合楼板的试验与计算，验证了sAFIR能很好地模拟双向板的薄

3、膜效应。1。。董毓利利用差分法计算钢筋混凝土简支板的温度场，按类似梁的弯矩一曲率法计算板的高温变形”。。usmani和Huang对cardington试验的组合楼板进行了温度场和力学性能分析，温度场分析采用二维平面单元，力学性能分析采用分层壳单元，可模拟结构的材料非线性和几何非线性”⋯。Huang利用程序vULcAN对约束组合楼板进行了分析，考察了薄膜效应和边界约束对组合楼板抗火性能的影响。1。目前国内外尚少有采用大型有限元软件对钢筋混凝土板的耐火性能进行三维有限元分析。本文采用大型非线性有限元软件ABAQUs6．5“⋯对钢筋混凝土板进行分析，计算结果与试验数据进行对比，两者吻合较好。本文

4、工作可以为钢筋混凝楼板的抗火设计提供一些参考。二、温度场的三维非线性有限元分析本文首先对钢筋混凝土板的温度场进行分析，温度场分析采用ABAQus／standard模块。混凝土采用4节点热分析壳单元D“，Ds4单元假设材料向同性，在截面采用5个积分点的SiⅢ口son积分，表面可以与外界进行热对流和热辐射交换能量，具有三维瞬态温度场分析的能力。温度场分析中混凝土的热工参数主要包括导热系数、质量热容和密度。导热系数、质量热容采用Ec2建议的公式，即：r个^=2—0．24—二一十O．012(—L12200Ct玎≤12000C(1)120下e=900+80二一一4(二)2200C订≤12000C(2

5、)。120lnU密度不随温度变化，保持为2400妇，m’。温度场分析时忽略钢筋的影响。工业建筑2007增刊174l第七届全国现代结构T程学术研讨会混凝土中含水革对温度场有一定的影响，其中水分迁徙对温度场分析结果的影响较为复杂，本文按照Ec4建议的方法．即对1000c一2000c之间的热容进行修正来考虑水分蒸发对温度场的影响，假设混凝七的质量热客在100uc一200℃之矧按三角形分布．在130uc取峰值。峰值热容因含水量不『一而不同，本文采用Ec4(94)的建议，即珊=2％，e=1875J，(蝇·K)；甜=4％，C22750J／(kg·K)：m=10％，C=5600J，(kg·K)，c，为峰

6、值热容。低于loO‘℃和高于200℃时热容不作修正。‘火灾中的环境温度按照Is0834升温曲线对板的下表面进行升温即：L=瓦+34乏lgt射+1)(3)式中0为炉内气体的温度(℃)，矗为试验开始时炉内温度，r为时间(mjn)。钢筋混凝土板通过热对流和热辐射与外界进行热交换，即：丑(罢‘+豢‘+誓t)=以(弓一I)+I盯(巧一功．(4)式中以为环境和边界之间的对流换热系数(Wm。K‘1)，迎火面和背火面分别取12和8；^，为环境和边界之间的辐射换热系数，迎火面和背火面分别取0．8和0；仃位波尔兹曼常数(盯=5．67×lo_8Wm。K。1)；t为构件边界绝对温度(K)；f，，f，Z，为构件边界

7、的方向余弦。三、结构的三维非线性有限元分析力学性能分析采用ABAQus／Explic“模块，因其比standard能有效提高计算速度和收敛速度。ABAQus／Explicn应用中心差分法对运动方程进行显式的时间积分，由一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件。由于是显式地前推，不需要隐式方法所需要的整体切线剐度矩阵。在显式方法中可以很容易地模拟一些极度不连续的情况，并且能够一个节点一个节点地求解而不必迭代，通过