钢筋混凝土空心板火灾反应研究

陈　涛　　柯卫峰

(1．中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉　430034; 2．桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉　430034;　3．中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉　430050)



钢筋混凝土空心板火灾反应研究

陈涛1，2柯卫峰3

(1．中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430034; 2．桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430034;3．中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉430050)

摘要:介绍了某简支空心板桥的结构特征，通过选取计算参数，建立了ABAQUS有限元模型，模拟分析了空心板在火灾下的温度场及承载力，得出了一些有价值的结论。

关键词:空心板梁，火灾，温度场，承载力，ABAQUS

0　引言

国内学者对结构火灾研究多集中于建筑结构上，桥梁结构的火灾研究较少。陆洲导等［1］研究采用碳纤维和预应力加固火灾后的框架承载力与刚度。董毓利等［2］在规范的抗剪计算承载力计算式的基础上提出CFRP布加固受火后混凝土受剪承载力计算式。韩重庆等［3］研究2跨钢筋混凝土T形截面连续梁在不同荷载条件下的耐火极限。张岗等［4］研究了局部火灾下混凝土箱梁悬臂板的变形与有效分布宽度。陆洲导等［5］通过与常温未受火钢筋混凝土连续梁的对比，分析了火灾后钢筋混凝土连续梁的性能劣化。本文以某桥空心板为例，计算其在火灾下的结构温度场，进而分析火灾后桥梁的承载力与刚度的损失情况。

1　计算结构及参数

1．1空心板结构

本文所计算资料为某简支钢筋混凝土空心板梁。空心板桥桥长11．96 m，计算跨径11．6 m，混凝土等级C30，抗压设计强度13．8 MPa，抗拉设计强度1．39 MPa;底板受拉主筋型号为HRB335，抗拉设计强度280 MPa，底板钢筋数量12Φ20，跨中截面配筋图见图1。

图1　跨中截面配筋图（单位：mm）

1．2计算参数

1)热传递理论。热传递有4种形式［6］:导热、对流传热、辐射传热、传热过程。导热和对流是最早被人们发现的，热辐射则是在1803年发现红外线才发现的。

导热方程:

其中，λ为热传导率，W/(m·℃)。

对流传热方程:

其中，h为热传递系数，W/(m2·℃)。

辐射传热方程:

其中，σ为玻耳兹曼常量，取5．67×10－8W/(m2·K4)。

传热过程:

其中，h为热传递系数，W/(m2·℃)。

热传递系数没有统一的规定，主要原因是影响热交换的因素极其复杂［7］。当混凝土与空气接触时，放热系数［8］h= 40 kJ/(m2·h·℃)～88 kJ/(m2·h·℃)。固体表面在空气中的放热系数的数值通常可以用以下两式计算:

粗糙表面:h=23．9+14．50V，kJ/(m2·h·℃);光滑表面: h=21．8+13．53V，其中，V为风速，m/s。

结合文献［8］并根据空心板的特点，本文热传递系数取:底板:13．57 W/(m2·℃)，顶板与腹板:1．96 W/(m2·℃)。

2)温升曲线。国内外对结构的火灾实验及数值模拟通常采用

升温段(t≤th):

降温段(t＞th):

其中，T0为初始温度，一般在5℃ ～40℃范围内;t为火灾持续时间，min;T为火灾t时刻温度，℃。

3)材料热参数。混凝土与钢筋的热参数按文献［11］～［13］计算，计算所得到的结果列于表1，表2中。

表1　材料热参数

表2　材料高温后热力参数

2　温度场及承载力分析

2．1温度场分析

利用ABAQUS有限元软件对空心板火灾下的响应进行模拟，ISO 834标准温升曲线来模拟火灾，火灾作用范围为空心板跨中2 m的区间内，示意图如图2所示，考虑火灾持续100 min。

图2　空心板火灾计算图（单位：mm）

经过100 min的火作用后，空心板跨中处温度场如图3所示。其中底板边界处温度为960℃，底板受拉处钢筋温度为400℃。空心板受温度影响的高度为15 cm。

选取距受火底板距离为H=0 mm，28 mm，50 mm(受拉钢筋附近)，75 mm，100 mm处的位置进行研究。各点温度随时间变化曲线图如图4所示，由图可以发现:

1)100 min时距火灾面H=0 mm，H=28 mm，H=50 mm，H= 75 mm，H=100 mm处的温度分别为958℃，580℃，389℃，215℃，181℃;2)H=0 mm处的温度变化速率较快，100 min后最高温度为958℃，距离火源越远温度变化越慢，H=100 mm处的最高温度为181℃;3)H=50 mm处的受拉钢筋最高温度为400℃左右;4)当混凝土温度大于800℃时混凝土已破碎。由图4并结合图3可以看出距混凝土表面2 cm左右的混凝土已破碎; 5)非受火且离受火面越远区域的混凝土温度保持在常温。

图3　空心板温度场（单位：℃）

图4　不同深度混凝土温度变化曲线

2．2火灾后承载力分析

当结构受火后，混凝土与钢筋的力学性能必然会发生变化，此时结构的极限承载能力会降低，为研究空板火灾后的极限承载力，在空心板上作用40 kN/m2的均布面荷载，分析空心板火灾100 min前后结构受力情况。

图5　火灾前后跨中荷载—位移图

根据图5计算曲线得到火灾前后结构承载力与位移值，列于表3中。由表3知火灾前空心板极限承载力荷载为33．4 kN/m2，火灾后极限承载力荷载为27．5 kN/m2，空心板受弯极限承载力下降17．7%;火灾前在极限荷载下跨中位移为－53．4 mm，火灾后极限荷载下跨中位移为－59．3 mm;火灾前一阶频率为6．697 8 Hz，火灾后一阶频率为6．340 8 Hz。为了方便比较火灾前后桥梁跨中刚度变化情况，以图5中承载力下的曲线切线斜率表示跨中刚度，火灾前曲线斜率为0．625，火灾后为0．464，则火灾后桥梁刚度较火灾前下降25．8%。

表3　火灾前后极限承载力与位移值

3　结语

经研究表明:1)火灾100 min时，混凝土最高温度为960℃，火灾影响高度为15 cm;受拉钢筋最高温度为400℃左右;距混凝土表面2 cm左右的混凝土已破碎;2)火灾后的空心板受弯极限承载力比火灾前下降17．7%;火灾后桥梁跨中刚度较火灾前下降25．8%，说明100 min后的结构刚度损失较大。

参考文献:

［1］ 陆洲导，王李果，李刚．采用不同材料加固受火后预应力混凝土框架的试验研究［J］．土木工程学报，2004，37(4): 99-103．

［2］ 徐玉野，彭小丽，董毓利，等．火后CFRP布加固钢筋混凝土梁受剪性能试验研究［J］．建筑结构学报，2015，36(2):123-132．

［3］ 韩重庆，许清风，刘桥，等．钢筋混凝土T形截面连续梁耐火性能试验研究及有限元分析［J］．建筑结构学报，2015，36 (2):142-150．

［4］ 张岗，贺拴海，王翠娟．局部火灾下混凝土箱梁悬臂板变形与有效分布宽度［J］．长安大学学报(自然科学版)，2015，35(1):68-75．

［5］陆洲导，柴继锋，余江滔．火灾后钢筋混凝土连续梁力学性能的计算分析［J］．同济大学学报(自然科学版)，2015，43 (1):16-26．

［6］杨世铭，陶文铨．传热学［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［7］ 刘照球．混凝土结构表面对流换热研究［D］．上海:同济大学硕士学位论文，2006．

［8］ 朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［M］．北京:中国水利出版社，2012．

［9］International Standard ISO834，Fire-Resistance Tests-Elements of Building Construction［S］．

［10］GB/T 9978．1—2008，建筑构件耐火试验方法第1部分通用要求［S］．

［11］ 吴波．火灾后钢筋混凝土结构的力学性能［M］．北京:科学出版社，2003．

［12］Eurocode 2 Design of concrete structures part1．general rulesstructural fire design［S］．

［13］ 过镇海，时旭东．钢筋混凝土的高温性能及其计算［M］．北京:清华大学出版社，2003．

中图分类号:TU375．2

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0036-03

收稿日期:2016-04-06

作者简介:陈涛(1984-)，男，硕士，工程师ISO 834标准温升曲线，表达式为［9，10］:

Fire reaction for the reinforced concrete hollow slab

Chen Tao1，2Ke Weifeng3

(1．Bridge Science Research Institute Ltd China Zhongtie Major Bridge，Wuhan 430034，China;2．State Key Laboratory of Bridge Structure Health and Safety，Wuhan 430034;3．China Railway Major Bridge Engineering Group Co．，Ltd，Wuhan 430050，China)

Abstract:The paper introduces the structural features of some barrel-supported hollow slab，establishes the ABAQUS finite element model by selecting the calculation parameter，simulates the temperature field and loading capacity of the hollow slab in fire accidents，and achieves some valuable conclusion．

Key words:hollow slab，fire accident，temperature field，loading capacity，ABAQUS