基于ANSYS鋼板組合樓板的火災熱分析

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源: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對其臨界溫度和升溫時間進行了探討,分析了鋼板組合樓板的耐火性能,得出不同位置的火災升溫曲線對于指導火災逃生具有一定的實際意義。
張洪才來源:e-works
關鍵字:CAE ANSYS 鋼板組合樓板火災

1 引言
壓型鋼板用于樓面也稱樓承鋼板,分為兩類,一類僅作為施工時澆筑混凝土樓面的模板使用,屬于非組合樓板;另一類不僅作為施工模板,待樓面混凝土達到設計強度后,壓型鋼板可替代板底鋼筋與混凝土仍然共同工作,形成組合樓板節省了板底鋼筋。
壓型鋼板混凝土組合樓板是一種新型的結構構件,目前主要用于高層鋼結構和鋼和混凝土組合結構中。按壓型鋼板在組合樓板中的作用,可分為完全組合效應和半組合效應兩種組合樓板,我國高層建筑采用較多的是半組合效應的組合樓板,即壓型鋼板僅作模板使用,板內按結構受力情況另配鋼筋。這種設計方法沒有充分發揮材料的性能,其中最主要原因是由于缺乏對組合樓板抗火性能的研究。分析組合樓板在火災情況下的溫度反應是對其進行抗火性能研究的基礎。本文在建立傳熱模型的基礎上,利用ANSYS對組合樓板在火災下的溫度場進行了計算。
2 鋼板組合樓板熱計算模型
建筑火災為室內火災,火災發生時一般組合樓板的底面為迎火面,頂面為背火面。底面與室內高溫煙氣之間主要通過對流、輻射交換熱量,頂面也通過對流、輻射與外界大氣換熱,而板內則是通過熱傳導來傳遞熱量。組合樓板迎火面、背火面和周圍環境的換熱過程是一個熱對流和熱輻射綜合的復雜傳熱過程。本文采用將對流換熱和輻射換熱分開計算,再予以疊加的方法來簡化處理.模型的建立及計算。
2.1 鋼板組合樓板的對流換熱
在火災情況下,組合樓板與周圍空氣之間存在著對流換熱。這種對流換熱是一個受諸多因素影響的復雜自然對流換熱過程,一般采用以下經驗公式計算:

其中:q為熱流密度;λ_a為空氣導熱系數,即

T_S,T_∞分別為樓板板面和周圍大氣的溫度;N_u為努塞爾數。對于鋼板組合樓板水平底面被空氣熱氣加熱或頂面被周圍空氣冷卻可以采用:

對于鋼板組合樓板肋斜面則采用

式中: R_a為瑞利數;P_r取0.7;G_r按下式計算

式中: L計算時取平板面積與周長的比值;g為重力加速度。
2.2 鋼板組合樓板的輻射換熱
在火災情況下,室內燃燒產生大量的氮氣、水蒸氣、二氧化碳等產物,它們與鋼板組合樓板進行輻射熱交換,本文中通過適當增大對流系數來考慮輻射對計算的影響。
2.3 鋼板組合樓板內部的熱傳導
    鋼板組合樓板內部同過熱傳導來進行熱交換,本文建立的模型為三維模型,這樣的模型更加符合實際。在高溫的作用下,混凝土、鋼筋和鋼板的材料參數將隨變化而變化。
    混凝土導熱系數:
    混凝土密度:
    混凝土比熱:
    混凝土熱膨脹系數:
    假設鋼筋和鋼板取相同的參數:
    導熱系數:
    密度:
    比熱:
    熱膨脹系數:
說明:計算中所有單位取國際單位制。

3 鋼板組合樓板的模型及有限元計算
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算單元;選用LINK33作為鋼筋的熱計算單元。網格采用自由網格劃分共22912個單元。
3.2 計算邊界
    (1)鋼板組合樓板的頂面和空氣發生對流換熱。
    (2)鋼板組合樓板的底面和火災發生時的熱空氣發生熱對流。
    (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,不發生熱交換。
3.3 標準溫升曲線
    為了給實際的抗火災分析提供火災的加溫標準,許多國家和組織制定了標準的室內火災升溫曲線,以供抗火試驗及抗火設計使用。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 火災標準升溫曲線

4 計算結果及討論
本文計算共計算了12000s,其計算結果如下圖所示:

圖4 300s時刻的溫度云圖圖5 300s時刻的鋼筋和鋼板的溫度云圖

圖6 7200s時刻的溫度云圖圖7 7200時刻的鋼筋和鋼板的溫度云圖

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

圖8 6個溫度測試點的位置圖

圖9 6個測試點處溫度隨時間變化的曲線

圖10 6個測試點處溫度變化率隨時間的變化曲線

    圖9和圖10給出了6個測試點溫度及溫度變化率與時間的關系。從圖9中可以看出,鋼板組合樓板頂面升溫緩慢,而底面在火災的作用下迅速升溫。在一小時內6個測試的點溫度分別為35.4280,40.6038,53.7888,71.2488,103.236,162.475攝氏度。說明在起火一小時內是最佳的逃生機會,鋼板組合樓板的頂面溫度還在人的承受范圍內。一個半小時后6個測試點溫度分別為52.8001,61.4398,80.2667,103.615,141.676,205.335攝氏度;已經超過了人體的耐熱極限。
    從圖10可以看出:1到5號測試點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試點位持續減小。1號測試點在3800s內持續加速升溫,而在后面的時間里,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個測試點的升溫率最后都穩定在一個水平下,即火災最后整個鋼板組合樓板是個勻加溫體。在實際的工程中,可以通過調節混凝土、鋼筋和鋼板達到減小樓板的頂面升溫率的目的,為火災逃生贏得時間。
5 結論
    從以上分析和計算中可以得出以下結論:
(1)證明了ANSYS在計算鋼板組合樓板的熱分析的有效性。
(2)在本文給定參數下,最佳的逃生時間為1小內。
(3)溫度的升溫率是個重要的控制鋼板組合樓板的升溫的參數,在實際的工程中應該減小。
(4)火災發生后鋼板組合樓板的各點處升溫率隨著時間的增長最后達到一個共同的值,這個值與鋼板組合樓板的材料參數及布局有一定的關系,這一結論對實際工程有重要的指導意義。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才