混凝土结构抗火性能虚拟仿真实验：

 

试验设备和装置

加载设备主要为:50吨千斤顶一个100吨千斤顶两个油泵三台;

加载反力装置为:l000KN反力架三个;

数据采集装置有:50吨力传感器三台位移传感器十个y2e539高速静态、应变仪两台温度记录仪一台,热电偶应变片若干

加热装置:煤气炉两台

注:在力传感器下应垫有绝热垫块,防止力传感器温度温度过高,从而受到损坏,另外位移计的针头也应套有绝热套以期保护位移计"另考虑到更加真实地模拟火灾现场和现实条件(用电炉对电路要求高,而且升温效果不佳)我们选择了煤气炉作为升温装置"

实验过程

试验开始前首先测出制作试件所用钢材的屈服强度平均值!弹性模量平均值"由于实验荷载大小对构件破坏时的极限温度有重要影响,为了使本次抗火实验的时间控制在60mni以内,并且参照以往实验拟加荷载值又考虑到试件位移速度和观察记录的方便,我们将拟加荷载定为常温下试件极限荷载的75%"。 

试验步骤:

(l)用吊车将试件Fl、F2吊入实验炉中,用螺栓将试件固定在实验台上"

(2)连接各位移传感器,检查温度热电偶并与数据采集器连通,安置力传感器和隔热垫块于千斤顶的端部"

(3)实验开始时,室温下在梁中按图5.1和5.2所示加载至拟加荷载的60%,等待试件位移稳定之后,记下此时的结构构件位移!应变"然后加载至拟加荷载,记录下结构构件的位移!应变"在以后的升温过程中构件的位移应扣除已加荷载位移与变形"

(4)打开温度记录仪,准备记录温度)时间曲线"点燃升温炉,对构件进行升温,在钢梁升温时,荷载保持恒定"并且按照150-834标准升温曲线进行升温,

升温速率应适当,由于实验煤气炉可以对构件指定部位加热,我们假设火灾发生在结构内侧即:对试件F1的梁下翼缘进行加热;对试件FZ的梁下翼缘柱的内侧翼缘进行加热(见图5.3和5.4)"

(5)每隔半分钟即记录一次结构位移值,并且观察半刚性节点的变形情况,自动温度记录仪从点火时刻开始,每隔7秒轮流打印出各测试点的温度;随时观察和记录半刚性接点展开与变形情况:直至结构构件发生破坏"

(6)当抗火实验接近尾声时,梁的承载力急速下降,结构变形过大,关闭升温装置和各测量仪器,宣告构件已经破坏"整理获得的实验数据,对比各个温度阶段两种试件的变形情况和承载能力和其他高温反应,了解试件各时刻温度分布情况,了解半刚性节点的展开变形情况,了解并对比两种试件不同的破坏形式"

注:以下情况将视为结构构件已被破坏:

梁柱失稳

梁柱节点变形过大

梁的跨中位移超过跨度的1/25

构件上任一点的位移变化速率大于4mm/min

仿真模拟试验过程

实验的主要目的是模拟假定的钢框架在火灾中条件下的各种反应,从而可以得到此钢框架的内部温度分布和变形破坏形态,确定框架梁柱变形与时间的关系,并且作为依据可以与以后真实试验的试验结果比对,以验证仿真模拟的正确性和可行性"

ANSYS的热分析

热分析主要应用于计算一个系统或者部件的温度分布及其他热物理参数,它在许多工程应用中扮演重要的角色"也为我们对结构的高温反应研究建立了良好的平台"ANSYS的5种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析;ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度并导出其他热物理参数"另外ANSYS的热分析可分为两种¹稳态传热:系统的温度场不随时间的变化"º瞬时传热:系统的温度场随时间明显变化"在此次的模拟中我们使用的就是瞬时传热"进行瞬时传热分析时分为三个基本步骤:建模;施加荷载计算;查看结果"瞬态热分析中的载荷随时间变化,为表达随时间变化的载荷,必须将载荷)时间曲线分为载荷步"其中载荷)时间曲线中的每个拐点为一个载荷步"对于每个载荷步,必须定义载荷值,同时必须选择载荷步为渐变，在模拟中我们假设有三种热传播方式参与工作:对流、辐射和热传导，为了更加真实地反应火灾的现场情况,我们对于热量的传递路线可以做以下假设:空气在加热过程中以对流的形式传递给钢框架的梁柱的内侧翼缘;房间内的热源以辐射的方式也将热量传递给框架的梁柱内侧翼缘和腹板;被加热的框架区域又以热传导的方式将热量在钢架内部传播"

几何建模

几何建模可以直接在ANSYS中建立,也可直接从CAD软件中读入,另外在ANSYS中建立模型也分直接建模和实体建模两种"在ANSYS中建立几何模型其目的只是为了便于有限元网格的划分,材料和单元物理特性的定义和边界条件的施加"

本次试验的模型采用试件的几何尺寸如下:

钢梁:H300X25OX8X12长度:600Omm

钢柱:H400X300X10X14长度:2800rnrn

梁柱节点为刚性连接"为了更方便地建模以及材料和单元物理特性的定义和边界条件的施加,我们假设梁柱节点为焊接"构件材质:钢梁、钢柱均为Q235

本次模拟采用直接建模的形式,逐个地建立点!线!面和体"由于此次模型并不复杂,直接建模所需的计算量少,这样建模可以大大简化计算机计算时间"

3单元网格的划分

为了更好地模拟热传递的过程我们采用八节点实体单元(oslid70)进行划分,每个节点具有三个自由度单元"由于本模型采用的是直接建模的方法所以不需要再次划分网格"当模型建立好以后,网格也自动地划分出来"

刚框架有限元模型