基于ANSYS钢板组合楼板的火灾热分析

一、引言

压型钢板用于楼面也称楼承钢板，分为两类，一类仅作为施工时浇筑混凝土楼面的模板使用，属于非组合楼板；另一类不仅作为施工模板，待楼面混凝土达到设计强度后，压型钢板可替代板底钢筋与混凝土仍然共同工作，形成组合楼板节省了板底钢筋。

压型钢板混凝土组合楼板是一种新型的结构构件,目前主要用于高层钢结构和钢和混凝土组合结构中。按压型钢板在组合楼板中的作用,可分为完全组合效应和半组合效应两种组合楼板,我国高层建筑采用较多的是半组合效应的组合楼板,即压型钢板仅作模板使用,板内按结构受力情况另配钢筋。这种设计方法没有充分发挥材料的性能,其中最主要原因是由于缺乏对组合楼板抗火性能的研究。分析组合楼板在火灾情况下的温度反应是对其进行抗火性能研究的基础。本文在建立传热模型的基础上,利用ANSYS对组合楼板在火灾下的温度场进行了计算。

二、钢板组合楼板热计算模型

建筑火灾为室内火灾,火灾发生时一般组合楼板的底面为迎火面，顶面为背火面。底面与室内高温烟气之间主要通过对流、辐射交换热量,顶面也通过对流、辐射与外界大气换热,而板内则是通过热传导来传递热量。组合楼板迎火面、背火面和周围环境的换热过程是一个热对流和热辐射综合的复杂传热过程。本文采用将对流换热和辐射换热分开计算,再予以叠加的方法来简化处理.模型的建立及计算。

1、钢板组合楼板的对流换热

在火灾情况下,组合楼板与周围空气之间存在着对流换热。这种对流换热是一个受诸多因素影响的复杂自然对流换热过程,一般采用以下经验公式计算:

2、钢板组合楼板的辐射换热

在火灾情况下,室内燃烧产生大量的氮气、水蒸气、二氧化碳等产物，它们与钢板组合楼板进行辐射热交换，本文中通过适当增大对流系数来考虑辐射对计算的影响。

3、钢板组合楼板内部的热传导

钢板组合楼板内部同过热传导来进行热交换，本文建立的模型为三维模型，这样的模型更加符合实际。在高温的作用下，混凝土、钢筋和钢板的材料参数将随变化而变化。

混凝土导热系数：

三、钢板组合楼板的模型及有限元计算

1、建立模型

图1 钢板组合楼板的有限元模型

图2 钢筋和钢板的有限元模型

如图1所示为本文计算的钢板组合楼板的有限元模型，选用solid70作为底面钢板和混凝土的热计算单元；选用LINK33作为钢筋的热计算单元。网格采用自由网格划分共22912个单元。

2、计算边界

（1）钢板组合楼板的顶面和空气发生对流换热。

（2）钢板组合楼板的底面和火灾发生时的热空气发生热对流。

（3）忽略钢板、钢筋和混凝土的接触热阻。

（4）钢板组合楼板的四周为绝热，不发生热交换。

3、标准温升曲线

为了给实际的抗火灾分析提供火灾的加温标准，许多国家和组织制定了标准的室内火灾升温曲线，以供抗火试验及抗火设计使用。本文选用以下升温曲线：

四、计算结果

本文计算共计算了12000s，其计算结果如下图所示：

图4 300s时刻的温度云图

图5 300s时刻的钢筋和钢板的温度云图

图6 7200s时刻的温度云图

图7 7200时刻的钢筋和钢板的温度云图

作者：张老师，仿真秀科普作者，拥有 15 年的结构，传热，流体，多物理场耦合和疲劳软件工程应用经验。擅长的软件 ANSYS 经典环境，ANSYS Workbench ，Fluent，nCode 和 LS-DYNA，以第一作者身份，出版有限元著作 5 部,承担多项科研课题，有丰富的有限元培训经验，累计培训学员多达 5000 余人，深受好评。

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