矩形鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)的有限元分析

1、J中國(guó)黠斛網(wǎng)fwww.qikanwang.nel矩形鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)的有限元分析摘要：基于大型通用有限元分析軟件ansys,針對(duì)某電廠房鋼混凝土排架柱，建立了矩形鋼管混凝土柱三維溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型研究矩形柱在外界升溫和降溫兩種情況下的溫度以及應(yīng)力變化規(guī)律,探討鋼管混凝土柱在火災(zāi)下的溫度場(chǎng)分布特征，比較了兩個(gè)不同邊界條件對(duì)鋼管混凝土柱溫度不同應(yīng)力的影響.分析結(jié)果表明，計(jì)算成果符合工程實(shí)際.關(guān)鍵詞:矩形鋼管混凝土；溫度場(chǎng);溫度應(yīng)力；耐火性能鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁鋼管而形成的一種組合材料1,其與純混凝土柱和純鋼管柱相比，軸壓、彎壓和抗剪能力均大幅度提高,而且具有良好的抗震性能和耐火性能，經(jīng)

2、濟(jì)效益高.其應(yīng)用日益廣泛,從最早的橋墩逐步涉及到單層和多層工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構(gòu)架、送變電構(gòu)架及各種支架結(jié)構(gòu)中2.目前對(duì)鋼管混凝土溫度應(yīng)力和耐火性能的研究相對(duì)薄弱，特別是對(duì)矩形鋼管混凝土的研究更少.本文結(jié)合某大型電廠廠房鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)其排架柱的幾種典型溫度荷載進(jìn)行深入計(jì)算分析，旨在研究矩形鋼管混凝土柱隨外界溫度發(fā)生變化時(shí)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的變化規(guī)律和受火特性.以通用有限元程序ansys作為分析工具，大大提高了計(jì)算和分析效率，所得結(jié)果符合實(shí)際情況.lansys熱分析基本方程ansys熱分析基本方程為式中：p為密度；c為比熱容;t為溫度;t為時(shí)間;v為整體傳熱速駆gg中國(guó)學(xué)木期刊網(wǎng).qikanw

3、ang.nel率矢量,v=vx,vy,vzt;q為單位體積的生熱率；kx,ky,kz分別為單元在x,y,z方向的熱傳導(dǎo)率.邊界條件有3種，假定作用范圍為整個(gè)單元.本文涉及到如下第一種和第三種邊界條件.a. 在面si上溫度已知:t=t*(2)式中:t*為已知的溫度.b. 在面S3上對(duì)流量已知(牛頓冷卻法則):qtn=hf(ts-tb)(3)式中：n為單位外法線向量；hf為膜散熱系數(shù);tb為相鄰流體的整體溫度;ts為模型表面的溫度.2有限元模型的建立21工程簡(jiǎn)介某電廠廠房排架柱的主構(gòu)架柱采用鋼混凝土組合矩形結(jié)構(gòu)，柱內(nèi)填混凝土C40,有鋼板覆頂，柱高7890mm鋼材采用q345b,其截面形狀如圖1所

4、示.圖1鋼管混凝土柱截面形狀(單位:mm)22基本假定建立三維有限元模型時(shí)，重點(diǎn)研究外界環(huán)境溫度變化對(duì)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的影響.由于進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算的同時(shí)再考慮材料非線性的計(jì)算工作量很大，故將鋼管和混凝土作為線彈性材料考慮，并且只考慮溫度荷載.鋼管和混凝土做直接黏結(jié)處理，不考慮二者因熱膨脹不同而可能產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象.J中國(guó)黠斛網(wǎng)fwww.qikanwang.nel23模型建立231單元類型考慮到模型的性質(zhì)及分析重點(diǎn)，鋼管和混凝土均采用適用于三維實(shí)體模型同時(shí)具有熱傳導(dǎo)能力的空間8節(jié)點(diǎn)六面體單元solid70單元;在進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)，再轉(zhuǎn)成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元即solid45單元.232材料特性根據(jù)工程

5、資料，混凝土彈性模量ec=325gpa,密度pc=2449t/m3,泊松比取為0167;鋼管彈性模量es=206gpa,密度ps=8010t/m3,泊松比取為03.鋼材和混凝土的熱性能參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)這些參數(shù)都會(huì)隨著溫度的變化而變化，本文中這些參數(shù)按文獻(xiàn)3取值（溫度在01000C范圍內(nèi)）.24網(wǎng)格劃分和荷載施加排架柱底部與廠房地面相連，為了考慮柱底約束對(duì)鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)的影響，分別考慮了底部直接約束和柱底部以下再取部分地基兩種方案.基礎(chǔ)范圍為：x正負(fù)方向各延伸核心混凝土的一個(gè)寬度值2444mm向y負(fù)方向延伸核心混凝土一半的高度值3945mm向z正、負(fù)方向各延伸混凝土的一個(gè)厚度值1022mm基礎(chǔ)材料與柱內(nèi)混凝土相同.圖2為考慮基礎(chǔ)影響的三維有限元網(wǎng)格，