ANSYS在钢管混凝土温度场分布研究中的应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com青岛建筑工程学院学报第26卷第2期Journa1OfQingdaoInstituteVo1．26No．22005ofArchitectureandEngineeringANSYS在钢管混凝土温度场分布研究中的应用王海华，丁永君，于德湖。，倪金魁(1．天津大学建筑工程学院，天津300072；2．天津大学建筑设计研究院，天津300072；3．青岛理工大学七木工程学院，青岛266033；4．中铁电气化勘测设计研究院，天津300250)摘要：应用大型通用有限元程序ANSYS对钢管混凝土在火灾条件下的

2、温度场进行模拟计算，提供了一种精确分析火荷载条件下钢管混凝土内部温度分布的研究方法．通过与有关火灾实验分析比较，证明方法概念正确，分析过程简便，计算精度可靠，可以为钢管混凝土的耐火极限确定提供有效的数据．关键词：有限元，钢管混凝土，火灾，温度场分布中图分类号：TU398：TB131钢管混凝土结构由于其良好的力学性能在现代建筑结构中得到广泛应用口]，然而对于其耐火极限的研究由于试验条件所限一直没有得到很好的解决，近年来结构防火问题逐渐成为建筑结构所面临的一个严重问题，如何合理分析钢管混凝土结构在火灾条件下的性能成为影响这一结构在建筑上发展的

3、关键．钢管混凝土结构在火灾条件下的温度场分布的准确分析对于确定钢管混凝土结构的耐火极限有着重要的理论意义，利用大型通用有限元程序ANSYS软件温度模块可以描述构件从室温条件下到火灾发生、发展整个过程中的内部的温度变化，对温度场分布进行模拟．同时，在模拟过程中对于材料的非线性、有无防火保护层均可以做为选择参数加入程序中进行分析，得出更深入的结论．1温度场分析的基本原理1．1升温曲线为了模拟现场火灾发展情况，各国采用不同理论理想化试验曲线，如ISo一834和CAN4一S101的升温曲线，数学表达式分别为：T：To+345logl。(8t+1)

4、(1)T—T。+7501-3一exp(一3．79553√)]+170．41(2)式中T。为初始温度；t为试验持续时间两种拟合曲线数据相差不多，前者在升温后期要比后者略高．1．2传热方程、定解条件及边界条件在火灾条件下，钢管混凝土构件截面的温度分布随时间发生变化，而组成钢管混凝土的钢材和混凝的热工性能如导热系数、比热等在温度作用下也发生变化，成为温度的函数，由此可以认为钢管混凝±：构件的热传导问题是一个非线性的瞬态问题．在平面不稳定的温度场中，温度T满足传热方程：oL：是(磐d+磐)(3)zd‘式中是为材料的导热系数；f0为材料的密度；c为

5、材料的比热传热方程的定解条件是由初始条件与边界条件决定的，初始条件是指传热过程开始时构件在整个区收稿日期：2004—03—04维普资讯http://www.cqvip.com40青岛建筑工程学院学报第26卷域中的所有温度为已知值．一般钢管混凝土柱在火灾条件下的边界条件为第三类边界，用公式可以表示为：一是l一d(T—Tr)l(4)d式中为火焰热流体与钢管混凝土表面的综合换热系数；T，为火焰热流体温度1．3温度分析的有限元模型{笙进行钢管混凝土构件温度场有限元分析时，可以将空间问题转化为平面问题，在构件横截面内将实体模型划分为平面有限元模型，

6、有限元单元类型对于方钢管混凝土可以采用矩形单元，圆钢管混凝土可以采用三角形单元．对于有限元单元尺寸，根据所需结果精度，采用合适的单元尺寸，既保证程序运算收敛，同时还可以节省计算时间．2钢管混凝土温度场的ANSYS软件分析过程2．1前处理(／prep7)进入ANSYS分析后，首先要确定分析问题所需要的单元类型和材料属性．在本分析过程中采用ANASYS平面热单元PLANE55，单元PIANE55为四结点四边形，其自由度为节点温度，如果要进行热应力分析，可以利用间接耦合方法，将热分析的结果作为荷载进行二次分析．对于钢和混凝土在高温下的非线性热工

7、性能，文献Eli中有详细的描述，利用ANSYS材料库函数功能可以进行拟合．通过前处理建立分析的模型，指定单元、材料属性，划分网格，便可以进入加载．2．2加载与求解(／loadand／sob)a．设定节点的初始温度即环境温度；表1综合换热系数a(J／m．h．。C)b．施加温度荷载．温火焰温度6O～20040050060070080090010001100度荷载按照升温曲线进行加载。钢管混凝土与外界火焰热流体之间综合换热系数取自文献[2]，如表1所示．c．进入ANSYS的求解器中，选择瞬态分析，在这里需要设置时间步长及总的加载时间，一般取子步

8、长5min．加载时间一般取180～220min即可，选择保存每一子步的结果，这样是为了便于在后处理中观察截面温度场随时间变化规律，然后就可以进行非线性求解，求解的精度同前处理时的网格划分的精度