火灾下钢筋混凝土构件温度场数值模拟研究

论文摘要

火灾作用下混凝土结构内部温度场分布规律是结构抗火研究的基础。本文结合湖南省科技科技重点项目“钢筋混凝土框架结构火灾反应全过程分析和仿真研究”,将传热学基本理论和计算机模拟相结合,运用有限元和有限差分相结合的方法,编制了构件温度场计算程序,分析了混凝土梁柱构件在三面受火条件下温度场的变化规律。进行的主要工作如下:（1）对国内外关于混凝土热工参数随温度变化的规律进行了归纳总结和比较;以热传导基本方程为依据,详细推导了高温条件下,截面温度场的有限元方程,为温度场程序的编制打下了坚实的理论基础。（2）对高温条件下有限元方程准确性有重要影响的参数—传热系数进行了深入的探讨和研究。分析了流体运动发生的原因、流体的运动状态、流体的物理性质、混凝土结构的几何尺寸,形状和位置等因素对传热系数的重要影响,为试验研究时考察综合换热系数对混凝土构件温度场的影响提供理论依据。（3）以C++语言为平台,建立了混凝土构件温度场计算流程图并编制了相应的程序,且将计算数据和实测数据进行了对照和比较。利用编制的计算程序分析了不同的热工参数、截面尺寸和受火时间等因素对温度场分布的影响。计算结果表明:实测所得的温度场数据和计算所得数据基本一致;同一热工参数在不同文献中的取值对温度场的计算结果的影响不大:在同一截面上各点温度不同,存在着较大的温度梯度;靠近受火面,混凝土的温度高,而离受火面越远,混凝土的温度越低,说明加大混凝土的保护层厚度,可以有效提高混凝土梁柱的抗火性能;在截面不同高度上,随着受火时间延长,混凝土截面上点的升温曲线形状趋向基本相同。本文计算结果可以应用于火灾条件下结构的受力性能分析,对于指导混凝土结构抗火设计具有一定的指导意义和工程实用价值,并对火灾救援具有一定的帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的引出
• 1.1.1 火灾的危害
• 1.1.2 课题研究的背景
• 1.2 混凝土结构抗火研究现状
• 1.2.1 建筑火灾发展过程研究
• 1.2.2 混凝土的热工性能和力学性能研究
• 1.2.3 构件内部温度场求解方法研究
• 1.3 目前结构抗火研究中存在的问题
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 钢筋混凝土构件高温下温度场理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 防火区内的升温曲线
• 2.2.1 防火分区内温度的经验公式
• 2.2.2 标准升温曲线
• 2.3 热传导方程、定解条件及材料的热工性能
• 2.3.1 热传导方程
• 2.3.2 定解条件
• 2.3.3 混凝土在高温下的热工性能
• 2.4 构件温度场的非线性有限元分析
• 2.4.1 基本假设
• 2.4.2 有限元方程的推导
• 2.4.3 瞬态热传导方程的差分
• 2.5 本章小结
• 第三章 钢筋混凝土结构表面的换热研究
• 3.1 引言
• 3.2 第三类边界条件
• 3.3 对流换热的能量传递机理和边界层理论
• 3.3.1 对流换热的能量传递机理
• 3.3.2 对流换热的边界层
• 3.4 影响对流换热的主要因素
• 3.4.1 流体运动发生的原因
• 3.4.2 流体的运动的状态
• 3.4.3 流体的物理性质
• 3.4.4 混凝土结构的几何尺寸,形状和位置
• 3.5 对流换热系数的求解方法
• 3.5.1 实验和物理参数组合起来的量纲分析
• 3.5.2 边界层微分方程式的精确数学分析
• 3.5.3 用积分法近似分析边界层
• 3.5.4 根据热、物质及动量传递的类似性进行分析
• 3.6 热辐射理论
• 3.7 火灾中混凝土结构综合换热系数的总结及展望
• 第四章 有限元程序的编制及算例分析
• 4.1 温度场程序的总体结构
• 4.2 形成总体刚度矩阵
• 4.2.1 单元刚度矩阵中元素的总体编码
• 4.2.2 单元刚度矩阵的总体集成
• 4.3 高斯消去法求解线性方程组
• 4.4 计算程序注意的问题及功能特点
• 4.4.1 编程计算中需要注意的问题
• 4.4.2 程序的功能和特点
• 4.5 程序验证及影响因素分析
• 4.5.1 试验1对照分析
• 4.5.2 试验2对照分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 存在的问题以及有待进一步开展的工作
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目