基于ANSYS鋼板組合樓板的火災(zāi)熱分析

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

本文首先建立了鋼板組合樓板的有限元模型,利用ANSYS對(duì)其臨界溫度和升溫時(shí)間進(jìn)行了探討,分析了鋼板組合樓板的耐火性能,得出不同位置的火災(zāi)升溫曲線對(duì)于指導(dǎo)火災(zāi)逃生具有一定的實(shí)際意義。
張洪才來(lái)源:e-works
關(guān)鍵字:CAE ANSYS 鋼板組合樓板火災(zāi)

1 引言
壓型鋼板用于樓面也稱(chēng)樓承鋼板,分為兩類(lèi),一類(lèi)僅作為施工時(shí)澆筑混凝土樓面的模板使用,屬于非組合樓板;另一類(lèi)不僅作為施工模板,待樓面混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,壓型鋼板可替代板底鋼筋與混凝土仍然共同工作,形成組合樓板節(jié)省了板底鋼筋。
壓型鋼板混凝土組合樓板是一種新型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,目前主要用于高層鋼結(jié)構(gòu)和鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)中。按壓型鋼板在組合樓板中的作用,可分為完全組合效應(yīng)和半組合效應(yīng)兩種組合樓板,我國(guó)高層建筑采用較多的是半組合效應(yīng)的組合樓板,即壓型鋼板僅作模板使用,板內(nèi)按結(jié)構(gòu)受力情況另配鋼筋。這種設(shè)計(jì)方法沒(méi)有充分發(fā)揮材料的性能,其中最主要原因是由于缺乏對(duì)組合樓板抗火性能的研究。分析組合樓板在火災(zāi)情況下的溫度反應(yīng)是對(duì)其進(jìn)行抗火性能研究的基礎(chǔ)。本文在建立傳熱模型的基礎(chǔ)上,利用ANSYS對(duì)組合樓板在火災(zāi)下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。
2 鋼板組合樓板熱計(jì)算模型
建筑火災(zāi)為室內(nèi)火災(zāi),火災(zāi)發(fā)生時(shí)一般組合樓板的底面為迎火面,頂面為背火面。底面與室內(nèi)高溫?zé)煔庵g主要通過(guò)對(duì)流、輻射交換熱量,頂面也通過(guò)對(duì)流、輻射與外界大氣換熱,而板內(nèi)則是通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)傳遞熱量。組合樓板迎火面、背火面和周?chē)h(huán)境的換熱過(guò)程是一個(gè)熱對(duì)流和熱輻射綜合的復(fù)雜傳熱過(guò)程。本文采用將對(duì)流換熱和輻射換熱分開(kāi)計(jì)算,再予以疊加的方法來(lái)簡(jiǎn)化處理.模型的建立及計(jì)算。
2.1 鋼板組合樓板的對(duì)流換熱
在火災(zāi)情況下,組合樓板與周?chē)諝庵g存在著對(duì)流換熱。這種對(duì)流換熱是一個(gè)受諸多因素影響的復(fù)雜自然對(duì)流換熱過(guò)程,一般采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

其中:q為熱流密度;λ_a為空氣導(dǎo)熱系數(shù),即

T_S,T_∞分別為樓板板面和周?chē)髿獾臏囟?N_u為努塞爾數(shù)。對(duì)于鋼板組合樓板水平底面被空氣熱氣加熱或頂面被周?chē)諝饫鋮s可以采用:

對(duì)于鋼板組合樓板肋斜面則采用

式中: R_a為瑞利數(shù);P_r取0.7;G_r按下式計(jì)算

式中: L計(jì)算時(shí)取平板面積與周長(zhǎng)的比值;g為重力加速度。
2.2 鋼板組合樓板的輻射換熱
在火災(zāi)情況下,室內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量的氮?dú)?、水蒸氣、二氧化碳等產(chǎn)物,它們與鋼板組合樓板進(jìn)行輻射熱交換,本文中通過(guò)適當(dāng)增大對(duì)流系數(shù)來(lái)考慮輻射對(duì)計(jì)算的影響。
2.3 鋼板組合樓板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)
    鋼板組合樓板內(nèi)部同過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行熱交換,本文建立的模型為三維模型,這樣的模型更加符合實(shí)際。在高溫的作用下,混凝土、鋼筋和鋼板的材料參數(shù)將隨變化而變化。
    混凝土導(dǎo)熱系數(shù):
    混凝土密度:
    混凝土比熱:
    混凝土熱膨脹系數(shù):
    假設(shè)鋼筋和鋼板取相同的參數(shù):
    導(dǎo)熱系數(shù):
    密度:
    比熱:
    熱膨脹系數(shù):
說(shuō)明:計(jì)算中所有單位取國(guó)際單位制。

3 鋼板組合樓板的模型及有限元計(jì)算
3.1 建立模型

圖1 鋼板組合樓板的有限元模型圖2 鋼筋和鋼板的有限元模型

    如圖1所示為本文計(jì)算的鋼板組合樓板的有限元模型,選用solid70作為底面鋼板和混凝土的熱計(jì)算單元;選用LINK33作為鋼筋的熱計(jì)算單元。網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分共22912個(gè)單元。
3.2 計(jì)算邊界
    (1)鋼板組合樓板的頂面和空氣發(fā)生對(duì)流換熱。
    (2)鋼板組合樓板的底面和火災(zāi)發(fā)生時(shí)的熱空氣發(fā)生熱對(duì)流。
    (3)忽略鋼板、鋼筋和混凝土的接觸熱阻。
    (4)鋼板組合樓板的四周為絕熱,不發(fā)生熱交換。
3.3 標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線
    為了給實(shí)際的抗火災(zāi)分析提供火災(zāi)的加溫標(biāo)準(zhǔn),許多國(guó)家和組織制定了標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火災(zāi)升溫曲線,以供抗火試驗(yàn)及抗火設(shè)計(jì)使用。本文選用以下升溫曲線:

式中:20為初始的室溫;t為升溫世間單位為min。其曲線如圖3所示:

圖3 火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

4 計(jì)算結(jié)果及討論
本文計(jì)算共計(jì)算了12000s,其計(jì)算結(jié)果如下圖所示:

圖4 300s時(shí)刻的溫度云圖圖5 300s時(shí)刻的鋼筋和鋼板的溫度云圖

圖6 7200s時(shí)刻的溫度云圖圖7 7200時(shí)刻的鋼筋和鋼板的溫度云圖

圖4到圖7給出了兩個(gè)時(shí)刻鋼板組合樓板和鋼筋、鋼板的溫度云圖。由圖可知,在初始時(shí)刻,鋼板溫度遠(yuǎn)高于鋼板組合樓板的頂面,這是顯而易見(jiàn)的。到了火災(zāi)后期,鋼板組合樓板的頂面溫度也升至70度以上,在這個(gè)溫度下對(duì)人的傷害非常大。并且從圖中還可以看出混凝土具有一定的阻熱作用。這對(duì)工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 6個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)的位置圖

圖9 6個(gè)測(cè)試點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化的曲線

圖10 6個(gè)測(cè)試點(diǎn)處溫度變化率隨時(shí)間的變化曲線

    圖9和圖10給出了6個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度及溫度變化率與時(shí)間的關(guān)系。從圖9中可以看出,鋼板組合樓板頂面升溫緩慢,而底面在火災(zāi)的作用下迅速升溫。在一小時(shí)內(nèi)6個(gè)測(cè)試的點(diǎn)溫度分別為35.4280,40.6038,53.7888,71.2488,103.236,162.475攝氏度。說(shuō)明在起火一小時(shí)內(nèi)是最佳的逃生機(jī)會(huì),鋼板組合樓板的頂面溫度還在人的承受范圍內(nèi)。一個(gè)半小時(shí)后6個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度分別為52.8001,61.4398,80.2667,103.615,141.676,205.335攝氏度;已經(jīng)超過(guò)了人體的耐熱極限。
    從圖10可以看出:1到5號(hào)測(cè)試點(diǎn)溫度變化率均是先增加后減小,只有鋼板組合樓板的底面的測(cè)試點(diǎn)位持續(xù)減小。1號(hào)測(cè)試點(diǎn)在3800s內(nèi)持續(xù)加速升溫,而在后面的時(shí)間里,基本為勻速升溫,底面由于高溫作用,輻射的作用明顯所以其升溫率一直減小。但6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的升溫率最后都穩(wěn)定在一個(gè)水平下,即火災(zāi)最后整個(gè)鋼板組合樓板是個(gè)勻加溫體。在實(shí)際的工程中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)混凝土、鋼筋和鋼板達(dá)到減小樓板的頂面升溫率的目的,為火災(zāi)逃生贏得時(shí)間。
5 結(jié)論
    從以上分析和計(jì)算中可以得出以下結(jié)論:
(1)證明了ANSYS在計(jì)算鋼板組合樓板的熱分析的有效性。
(2)在本文給定參數(shù)下,最佳的逃生時(shí)間為1小內(nèi)。
(3)溫度的升溫率是個(gè)重要的控制鋼板組合樓板的升溫的參數(shù),在實(shí)際的工程中應(yīng)該減小。
(4)火災(zāi)發(fā)生后鋼板組合樓板的各點(diǎn)處升溫率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)最后達(dá)到一個(gè)共同的值,這個(gè)值與鋼板組合樓板的材料參數(shù)及布局有一定的關(guān)系,這一結(jié)論對(duì)實(shí)際工程有重要的指導(dǎo)意義。

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