Pyrosim火災(zāi)模擬和ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線火災(zāi)下鋼筋混凝土梁柱的研究獲獎科研報告

Pyrosim火災(zāi)模擬和ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線火災(zāi)下鋼筋混凝土梁柱的研究獲獎科研報告【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土構(gòu)件;FDS;火災(zāi);ABAQUS;溫度場;

FDS（火災(zāi)動力學(xué)模擬器）是由NIST（國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）和建筑與火災(zāi)研究實驗室開發(fā)的基于現(xiàn)場模擬的火災(zāi)模擬軟件。它是以流體運動為火災(zāi)主要模型對象的計算流體力學(xué)模型。[1]

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Pyrosim軟件模擬單個房間的室內(nèi)火災(zāi)

Pyrosim是ThunderheadEngineering開發(fā)的建模軟件，并非NIST開發(fā)，該軟件的計算仍采用FDS。它可以模擬火災(zāi)發(fā)展、溫度分布、煙氣流動等，本文通過Pyrosim軟件建立單個房間室內(nèi)火災(zāi)模型，其中房間長度為12m，寬度為6m，高度為3.6m，門的寬度為1m，高度為2.4m，窗的寬度為4m，高度為1.7m，離地高度為1.1m，共兩個，假設(shè)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時窗的開放面積是總面積的一半，定義可燃物材料為YELLOWPINE，定義燃燒反應(yīng)為WOOD_PINE（Active），分布區(qū)域為整層樓板，初始燃燒位置為房間中心，布置4個熱電偶，沿寬度方向?qū)ΨQ布置，沿長度方向均勻分布，離地高度為1.8m，得到單個房間的室內(nèi)火災(zāi)模型。如圖1所示。

通過Pyrosim軟件對上述單個房間室內(nèi)火災(zāi)進行模擬，得到4個熱電偶測溫度點的溫度時間曲線，將上述四點的的溫度時間曲線的平均值與與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線進行對比，得到如圖2所示。其中ISO834【2】提供的標(biāo)準(zhǔn)溫度-時間曲線：T0：初始溫度，一般取20℃

T：t分鐘時的平均溫度。

將Pyrosim模擬溫度-時間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時間曲線進行比較，可以發(fā)現(xiàn)Pyrosim模擬溫度-時間曲線各點的溫度值低于ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時間曲線，但Pyrosim模擬溫度-時間曲線能夠很好地模擬室內(nèi)火災(zāi)的全過程，包括火災(zāi)升溫階段。火災(zāi)的全面發(fā)展階段和逐漸滅火的降溫階段，而ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時間曲線只有火災(zāi)溫度上升階段，沒有逐漸滅火的降溫階段。很明顯通過Pyrosim模擬的溫度時間曲線更符合實際室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生情況，而通過ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線更偏向安全性考慮。

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通過ABAQUS模擬ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線下和ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線下構(gòu)件截面溫度場分析

通過ABAQUS有限元軟件對Pyrosim模擬的溫度時間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線分別模擬得到鋼筋混凝土梁柱的溫度場，本文使用C30混凝土，C30混凝土熱工性能主要有熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、質(zhì)量密度等，其中，熱膨脹系數(shù)采用歐洲規(guī)范EC3【3】總結(jié)的得到的混凝土熱膨脹系數(shù)表達公式進行計算，導(dǎo)熱系數(shù)采用同濟大學(xué)的朱伯龍【4】通過研究得到的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)表達公式進行計算，比熱容采用T.T.Lie【5】通過研究得到的混凝土比熱容表達公式進行計算，質(zhì)量密度采用2300kg/m3，彈性模量采用吳波【6】通過研究得到的高溫后混凝土彈性模量表達公式進行計算，泊松比采用吳波【6】通過研究得到高溫后混凝土泊松比表達公式進行計算，通過公式得到的高溫下混凝土熱工性能的參數(shù)如表3.1所示，對于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼筋散布在混凝土內(nèi)，一般只占構(gòu)件體積的3%不到。在高溫火災(zāi)情況下，鋼筋的存在對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布影響很小，所以在分析結(jié)構(gòu)的溫度場時，忽略鋼筋的作用，將構(gòu)件看做是勻質(zhì)的混凝土材料。

由上述ABAQUS溫度場得到的Pyrosim模擬的溫度時間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線下的鋼筋混凝土柱和梁的溫度云圖可知：隨著升溫時間的增加，截面處各點的溫度都有所增加;對于四面受火的混凝土柱，溫度云圖是沿著x、y方向雙向?qū)ΨQ分布的，對于三面受火的梁，溫度云圖是沿著y方向單向?qū)ΨQ的;對于多面受火的鋼筋混凝土構(gòu)件，溫度云圖可以近視看成是各受火面單面受火時溫度云圖的疊加。

由上述ABAQUS溫度場得到的Pyrosim模擬的溫度時間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線下的鋼筋混凝土柱和梁各點的溫度時間曲線可知：由于混凝土具有熱惰性，截面弄完溫差較大，當(dāng)120min最外層溫度已經(jīng)達到1000℃時，最內(nèi)層溫度還沒有達到100℃;混凝土構(gòu)件越靠近外層，溫度變化越大，越靠近內(nèi)層，溫度變化越小，如圖3.19所示，300mm×300mm鋼筋混凝土梁最外層兩點溫度差距超過300℃，而最內(nèi)層等距離兩點的溫度差距只有不到10℃;沿邊中點向中心等距離點的溫度差距大，升溫速度較慢，而沿角45°向中心等距離點的溫度差距小，升溫速度較快，沿角45°向中心的第一個點的溫度為1144.94℃，沿角45°向中心的第二個點的溫度為911.91，而沿邊中點向中心的第一個點的溫度為1024.08℃，沿邊中點向中心的第二個點的溫度只有704.21℃。

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結(jié)語

將ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時間曲線得到的溫度場與Pyrosim模擬的溫度-時間曲線進行比較，分析整個過程中用ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線得到的溫度場溫度都要比用Pyrosim模擬的溫度時間曲線得到的溫度場溫度高，通過ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線得到的溫度場設(shè)計更加安全，在火災(zāi)發(fā)展的最后階段，通過用Pyrosim模擬的溫度時間曲線得到的溫度場會出現(xiàn)內(nèi)部有些部位的溫度比外部溫度高的情況，這是因為通過用Pyrosim模擬的溫度時間曲線有下降段，此時外面溫度逐漸下降是混凝土外部溫度下降比內(nèi)部溫度下降的速度更快導(dǎo)致