钢结构在火灾下的温度场

钢结构在火灾下的温度场分析

摘要：本文通过ansys对涂有不同厚度保护层的钢柱的热分析，显示出了不同时刻构件截面的温度分布云图及截面上特定位置上

的节点随时间的温度变化曲线。并对不同厚度保护层钢管的升温曲线及截面温度分布进行了对比。得出了防火涂料在钢结构抗火中发挥了重要作用这一结论。

关键词：防火涂料；钢结构；温度；

abstract: the thermal analysis of the steel column coated with different thickness of pretective layers by ansys shows the temperature distribution picture of component

cross-section in different time and thenode temperature variation curve along with time in the specific position of the cross-section. and a comparison between various thickness of protective layers in temperature rising curve and temperature distribution of the cross-section, obtaining that the fire-resistant coating plays an important role in the fire resistance of steel structure.

keywords: fire-resistant coating; steel structure; temperature

9.11以来，人们对钢结构防火研究的兴趣日益高涨，因为钢材虽为非燃烧材料，可钢材不耐火，随着钢材温度的升高，其强度和刚

度都迅速降低，温度为400 ℃时，钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半；温度达到600 ℃时，钢材的屈服强度和弹性模量降至为常温下的1/5，基本丧失了全部的强度和刚度。现在主要的钢构件防火措施是对钢结构的表面涂加保护层（防火涂料），这是因为防火涂料的导热系数小而比热大，能有效的吸收热量并能降低钢材的的升温速度。

1 火灾的发生过程和影响因素

火灾是一种包括流动、传热和化学反应及其相互作用的复杂燃烧过程。建筑火灾一般要经历三个阶段，初级增长阶段、全盛阶段及衰退阶段。在初级增长阶段和全盛阶段之间有一个标志着火灾发生质的转变现象—轰燃。轰然之后火灾进入全盛阶段。火灾的全盛阶段的可燃物处于充分燃烧中，室内温度迅速升高，可达800~1000左右。这时候火灾对建筑物的破坏非常严重。

2钢柱在火灾条件下的升温

经典的热力学认为，热量是通过三种方式进行传递的，即：热传导、热对流和热辐射。

这里我们考虑火灾在iso834标准升温曲线的作用下，空气和房间内的热源分别以对流和辐射的传递方式传递给防火涂料表面，再通过热传导将热量传递给钢柱。

3 有限元软件ansys模拟分析钢管混凝土的温度场分布

有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值方法。ansys

作为大型通用有限元软件在工程中有着广泛的应用，它包括结构分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析等等。ansys软件有限元分析的主要流程包括以下步骤：

（1）按照工程问题，确定分析类型、单元类型、材料性质、几何条件、力学条件、边界条件；

（2）建立有限元实体模型，划分网格、施加边界条件与荷载条件；

（3）根据工程实际问题，进行求解设置并求解

（4）分析计算结果

对于火灾下的温度场分析，属于ansys中的瞬态热分析。

我们选用solid70单元，钢材和防火涂料的热工参数如导热系数、比热等在不同的温度作用下一般来说是温度的函数。火灾中的空气通过热辐射和热对流向钢管混凝土传递热量。经过建模、划分网格，加载后就可以求解钢管混凝土构件在高温条件下的温度场分布。下面我们通过一个例子来阐述。

4、例子：

本例为一有限长实心钢管，半径为17.145cm,外面涂有防火保护层，受到iso-834标准火的作用，在分别考虑不同保护层厚度的条件下，分析此钢管的温度场分布及其规律。

（1）本例的计算分析类型为瞬态分析，火灾下的钢构件温度场分析属于第三类边界条件。空气与构件间的传热分为两部分，热辐

射与热对流。采用八结点六面体单元solid70。

（2）用ansys建立分析模型如下：由于此例为圆柱体，所以我们只利用其对称性，取其四分之一来进行分析。

图１用solid70网格划分的四分之一钢柱模型

（3）设置并求解：钢管的初始温度为20，热对流传热系数取25,打开自动时间步(autots)设置。用stef命令设置stefan—boltzmann常数为5.67e-8，施加上标准火升温曲线，设置对流和辐射边界条件，最后求解。

（4）结果分析：

下图从左到右给出了钢柱在保护层厚度分别为0 cm、0.635 cm、1.27 cm下某时刻截面温度分布云图：

图2 某时刻不同保护层厚度下截面分布云图

下图从左到右给出了钢柱在保护层厚度分别为0 cm、0.635 cm、1.27 cm下某时刻温度径向的变化曲线

图3 某时刻不同保护层厚度下温度径向变化曲线

由以上各图我们得出以下结论：

钢管在火灾中的温度分布数值由钢管表面向内部逐渐减小，表层的温度梯度大，内部逐渐变小。其等温线为与外形相似的同心圆。其中裸钢管表面由于没有保护层保护，在火灾下的钢管温度场分布

层次更为明显，其内部同心圆的个数明显多于有保护层的钢管。钢管保护层的厚度越厚，其内部钢管温度升高的速度也越慢。在径向分布曲线我们也可以明显的看出涂有防火层的钢管受涂料的保护升温缓慢，而没有涂防火层的钢管则升温迅速。另外，由于火灾中防火涂料越厚其吸收的热量越多，表面的热量来不及由钢材散去，所以厚保护层表面温度就高于薄保护层表面温度。

参考文献：

[1] 张运田, 郁银泉. 钢结构住宅建筑体系研究进展[j]. 钢结构住宅建筑, 2002, 8(6): 22

[2] 江见鲸, 陈希哲, 崔京浩. 建筑工程事故处理与预防[m]. 北京：中国建筑工业出版社，1999：230-256

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。