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注水空心 钢管 混凝土构件的防火性能评估方法及应用

阅读：375发布：2020-05-28

专利汇可以提供注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法及应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，包括如下步骤：建立注水空心钢管混凝土构件的有限元模型：将注水空心钢管混凝土构件分别建立温度场和力学场的有限元模型，所述温度场根据传热学和有限元理论建立温度场有限元模型，所述力学场根据固体力学理论和有限元理论建立力学场有限元模型；采用软件对所述有限元模型进行计算：采用软件先对温度场有限元模型进行计算，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场；根据计算结果获得耐火时间；根据耐火时间设计防火措施。本发明采用有限元模型将具体注水空心钢管混凝土构件进行建模，将各种材料进行充分考虑，能更准确进行建筑物的防火评估。，下面是注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法及应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，包括如下步骤：
建立注水空心钢管混凝土构件的有限元模型：将注水空心钢管混凝土构件分别建立温度场和力学场的有限元模型，所述温度场根据传热学和有限元理论建立温度场有限元模型，所述力学场根据固体力学理论和有限元理论建立力学场有限元模型；
采用软件对所述有限元模型进行计算：采用软件先对温度场有限元模型进行计算，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场；
根据计算结果获得耐火时间：根据获得的力学场得出柱顶位移随时间的变化关系，再根据ISO-834的判断标准就能得到构件的耐火时间；
根据耐火时间设计防火措施：根据计算的耐火时间和建筑构件的耐火时间要求进行比较，设计防火措施。
2.根据权利要求1所述注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，在建立注水空心钢管混凝土构件的有限元模型步骤中，所述温度场有限元模型的构建包括：
构建实体模型：根据实体结构建立的实体结构模型及根据材料的热工参数建立的材料模型，所述实体结构模型是根据实体结构的形状和尺寸建立；
构建材料模型：所述材料模型是以构建所述实体结构模型的材料根据材料的热工参数建立；
设置边界条件：设置注水空心钢管混凝土构件接触面的边界条件：将钢管，混凝土和水按其在空间中的位置进行装配，设置钢管和混凝土之间的接触，设置混凝土与水之间的接触，设置钢管和外表面之间的接触，并设置各自的边界条件。
3.根据权利要求1所述注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，在设置注水空心钢管混凝土构件接触面的边界条件步骤中，钢管和混凝土之间接触以及混凝土与水之间接触按连续边界条件设置。
4.根据权利要求1所述注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，所述力学场有限元模型的构建包括：
构建实体模型：根据实体结构建立的实体结构模型，所述实体结构模型是根据实体结构的形状和尺寸建立；
设置钢材和混凝土的本构模型：设置钢材和混凝土在高温下的本构模型；
设置所述实体结构模型位移和力的边界条件；
定义钢管和混凝土直接的力学接触。
5.根据权利要求4所述注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，在设置钢材和混凝土的本构模型步骤中，所述钢材的本构模型采用双折线模型，所述混凝土的本构模型采用损伤塑性模型。
6.根据权利要求1所述注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，在根据耐火时间设计防火措施步骤中，如果建筑构件计算得出的耐火时间比要求的耐火时间长，则建筑构件不需要进行额外的防火保护；如果计算耐火时间比要求耐火时间短，则建筑构件需要进行额外的防火保护。
7.根据权利要求6所述注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，在根据耐火时间设计防火措施步骤中，若建筑构件需要进行额外的防火保护，采用在钢管外表面涂上防火涂料的办法进行防火保护。
8.根据上述任一权利要求所述的注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，其特征在于，该方法在民用建筑或工业建筑上的应用。

说明书全文

注水空心 钢管 混凝土构件的防火性能评估方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种建筑构件的防火性能评估方法及应用，尤其涉及一种注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法及应用。

背景技术

[0002] 随着建筑工业的发展，钢管混凝土在建筑物中的应用越来越广泛。在实际应用中，通常将钢管混凝土构件制作成空心钢管混凝土构件，在使用上，既节约材料又可以减轻运输重量。为了在建筑物中充分利用空心钢管混凝土构件的空心，在实际应用上，还采用将钢管混凝土构件的空心作为建筑物排水管使用或者让排水管穿过钢管混凝土构件的空心，这样既方便排水管使用，节约建筑物空间，又能加强建筑物的防火效果。现有技术，对于建筑物构件的防火性能的评估多基于足尺实验，成本太高，不能大量采用，因此无法进行全面的评估，同时，对于防火评估考虑的因素也不全面，比如对于注水空心钢管混凝土构件根本就没有考虑注水的防火效果。这样的评估是不准确的，也不能在实际应用中进行有效地利用。由此，正因为这种不准确的评估导致不能在防火措施上具体量化。

发明内容

[0003] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术中，采用足尺实验方法带来的高成本，同时，也没有进行全面评估导致评估不准确的技术问题。本发明还克服现有技术中，对于注水空心钢管混凝土构件的防火措施不能达到具体量化的技术问题。

[0004] 本发明的技术方案是：提供一种注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，包括如下步骤：

[0005] 建立注水空心钢管混凝土构件的有限元模型：将注水空心钢管混凝土构件分别建立温度场和力学场的有限元模型，所述温度场根据传热学和有限元理论建立温度场有限元模型，所述力学场根据固体力学理论和有限元理论建立力学场有限元模型；

[0006] 采用软件对所述有限元模型进行计算：采用软件先对温度场有限元模型进行计算，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场；

[0007] 根据计算结果获得耐火时间：根据获得的力学场得出柱顶位移随时间的变化关系，再根据ISO-834的判断标准就能得到构件的耐火时间；

[0008] 根据耐火时间设计防火措施：根据计算的耐火时间和建筑构件的耐火时间要求进行比较，设计防火措施。

[0009] 本发明的进一步技术方案是：在建立注水空心钢管混凝土构件的有限元模型步骤中，所述温度场有限元模型的构建包括：

[0010] 构建实体模型：根据实体结构建立的实体结构模型及根据材料的热工参数建立的材料模型，所述实体结构模型是根据实体结构的形状和尺寸建立；

[0011] 构建材料模型：所述材料模型是以构建所述实体结构模型的材料根据材料的热工参数建立；

[0012] 设置边界条件：设置注水空心钢管混凝土构件接触面的边界条件：将钢管，混凝土和水按其在空间中的位置进行装配，设置钢管和混凝土之间的接触，设置混凝土与水之间的接触，设置钢管和外表面之间的接触，并设置各自的边界条件。

[0013] 本发明的进一步技术方案是：在设置注水空心钢管混凝土构件接触面的边界条件步骤中，钢管和混凝土之间接触以及混凝土与水之间接触按连续边界条件设置。

[0014] 本发明的进一步技术方案是：所述力学场有限元模型的构建包括：

[0015] 构建实体模型：根据实体结构建立的实体结构模型所述实体结构模型是根据实体结构的形状和尺寸建立；

[0016] 设置钢材和混凝土的本构模型：设置钢材和混凝土在高温下的本构模型；

[0017] 设置所述实体结构模型位移和力的边界条件；

[0018] 定义钢管和混凝土直接的力学接触。

[0019] 本发明的进一步技术方案是：在设置钢材和混凝土的本构模型步骤中，所述钢材的本构模型采用双折线模型，所述混凝土的本构模型采用损伤塑性模型。

[0020] 本发明的进一步技术方案是：在根据耐火时间设计防火措施步骤中，如果建筑构件计算得出的耐火时间比要求的耐火时间长，则建筑构件不需要进行额外的防火保护；如果计算耐火时间比要求耐火时间短，则建筑构件需要进行额外的防火保护。

[0021] 本发明的进一步技术方案是：在根据耐火时间设计防火措施步骤中，若建筑构件需要进行额外的防火保护，采用在钢管外表面涂上防火涂料的办法进行防火保护。

[0022] 本发明的技术方案是：该方法在民用建筑或工业建筑上的应用。

[0023] 本发明的技术效果是：本发明一种注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，采用有限元模型将具体注水空心钢管混凝土构件进行建模，将各种材料进行充分考虑，能更准确进行建筑物的防火评估。同时，还对防火措施进行准确地量化。附图说明

[0024] 图1为本发明的流程图。

[0025] 图2为本发明构建温度场有限元模型的流程图。

[0026] 图3为本发有构建力学场有限元模型的流程图。

[0027] 图4为本发明注水空心钢管混凝土构件的横剖面图。

[0028] 图5为本发明高温下钢材的双折线图。

[0029] 图6为本发明混凝土在高温下的本构模型图。

具体实施方式

[0030] 下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

[0031] 如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种注水空心钢管混凝土构件的防火性能评估方法，包括如下步骤：

[0032] 步骤100：建立注水空心钢管混凝土构件的有限元模型，即，将注水空心钢管混凝土构件分别建立温度场和力学场的有限元模型，所述温度场根据传热学和有限元理论建立温度场有限元模型，所述力学场根据固体力学理论和有限元理论建立力学场有限元模型。具体步骤中，所述温度场根据传热学和有限元理论建立温度场有限元模型。如图2所示，所述温度场有限元模型的构建包括：

[0033] 步骤110：构建实体模型，即：根据实体结构建立的实体结构模型，所述实体结构模型是根据实体结构的形状和尺寸建立。本发明具体实施例中，获取具体注水空心钢管混凝土构件的钢管、混凝土和水各自的形状和尺寸，通过注水空心钢管混凝土构件截面的形状和尺寸以及构件的长度来构建注水空心钢管混凝土构件整体的实体模型，构建实体模型时，其柱的高度方向考虑1/1000的初始偏心。

[0034] 步骤120：构建材料模型，即：根据材料的热工参数建立的材料模型，所述材料模型是以构建所述实体结构模型的材料根据材料的热工参数建立。具体来说，本发明中根据钢管、水、混凝土的热工参数，包括密度、传导率、比热。本发明具体实施例中，钢管的热工参数按LIE(1994)，如表1：

[0035]

[0036] 混凝土的热工参数按Chabot(1990)的热工参数取值，如表2：

[0037]

[0038] 水在100℃前的密度和比热按杨世铭的《传热学》第三版的附录10取值，[0039] 如表3：

[0040]温度密度比热
20 999.2 4.183
30 995.6 4.174
40 992.2 4.174
50 988.0 4.174
60 983.2 4.179
70 977.7 4.187
80 971.8 4.195
90 965.3 4.208
100 958.4 4.220

[0041] 传导率设置为1000000或一较大值，用来保证在升温过程中各处水温的一致性；超过100℃时，比热和传导率取100℃时的10000倍或一较大值，密度不变，用来保证水温恒定在100℃附近。

[0042] 步骤130：设置边界条件：设置注水空心钢管混凝土构件接触面的边界条件，即：将钢管、混凝土和水按其在空间中的位置进行装配，如图4所示，设置钢管和混凝土之间的接触2，设置混凝土与水之间的接触3，设置钢管和外表面之间的接触1，并设置各自的边界条件。具体来说，本发明中，设置钢管和混凝土之间的接触，混凝土与水之间的接触都按连续边界条件设置，即：

[0043]

[0044] 其中，ku，kd——分别为接触的两个面的传导率；

[0045] Tu，Td——分别为接触的两个面的温度。

[0046] 外表面采用第三类边界条件，同时考虑表面辐射，即：

[0047]

[0048] 其中，h——换热系数，对于火灾分析，h＝25W/m2K；

[0049] ε——表面发射率，对于火灾分析，ε＝0.7；

[0050] σ——Stefan-Boltzmann常数，σ＝5.67×10-8W/m2K4；

[0051] Tf——ISO834标准火灾曲线，表达式为Tf＝345log(8t/60+1)+293.15K；

[0052] t——构件在火灾下的受火时间。

[0053] 具体步骤中，所述力学场根据固体力学理论和有限元理论建立力学场有限元模型。如图3所示，所述力学场有限元模型的构建包括：

[0054] 步骤101：构建实体模型，即：根据实体结构建立的实体结构模型，所述实体结构模型是根据实体结构的形状和尺寸建立。本发明具体实施例中，获取具体注水空心钢管混凝土构件的钢管、混凝土各自的形状和尺寸，通过注水空心钢管混凝土构件截面的形状和尺寸以及构件的长度来构建注水空心钢管混凝土构件整体的实体模型。根据材料的热工参数建立的材料模型，

[0055] 步骤102：设置钢材和混凝土的本构模型，即：设置钢材和混凝土在高温下的本构模型。钢材采用双折线模型，切线模量为弹性模型的0.05，如图5所示，图中各个符号表示的含量及曲线的方程如下：E，fy分别为弹性模量和屈服强度；E0，fy0分别为20℃时的弹性模量和屈服强度。

[0056] 曲线方程为：

[0057]

[0058]

[0059] 对应的弹性模量和屈服强度随温度的变化按TT.LIE 1992《StructuralFireProtection》取值。混凝土采用损伤塑性模型，如图6所示，图中各个符号表示的含量：
fC，T，εcu，T，εult，T分别为混凝土的抗压强度，抗压强度对应的应变和极限应变。fC，a为20℃时的抗压强度，取值见表4：

[0060]3 3
温度T kC，T＝fC，T/fC，a εcu，T×10 εult，T×10
20 1.0 2.5 20.0
100 0.95 3.5 22.5
200 0.90 4.5 25.0
300 0.85 6.0 27.5
400 0.75 7.5 30.0
500 0.60 9.5 32.5
温度T kC，T＝fC，T/fC，a εcu，T×103 εult，T×103
600 0.45 12.5 35.0
700 0.30 14.0 37.5
800 0.15 14.5 40.0
900 0.08 15.0 42.5
1000 0.04 15.0 45.0
1100 0.01 15.0 47.5
1200 0.0 15.0 50.0

[0061]

[0062] 受压部分按欧洲规范EN 1994-1-2_2005取值，受拉部分按理想弹塑性模型处理，取强度抗压强度的十分之一。

[0063] 步骤103：设置所述实体结构模型位移和力的边界条件。

[0064] 即：将注水空心钢管混凝土构件两端为固结，注水空心钢管混凝土构件柱顶荷载的大小为荷载比乘以空心钢管混凝土的稳定承载力。

[0065] 步骤104：定义钢管和混凝土直接的力学接触。

[0066] 定义钢管和混凝土直接的接触为完全耦合的力学接触，不考虑相对滑移。

[0067] 步骤200：采用软件对所述有限元模型进行计算，即：对温度场有限元模型进行计算，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场。

[0068] 本发明的具体实施例中，在对温度场有限元模型进行计算时，对实体几何模型进行网格划分，其中钢管沿厚度方向根据钢管、混凝土、水划分至少3层，环形方向最少划分为28段，其它部分的网格和钢管部分的网格相互匹配。进行网格划分后，即对热传导方程在上述边界条件和求解域的问题进行求解。

[0069]

[0070] 其中，ρ——材料密度，kg/m3；

[0071] c——比热，J/kgK；

[0072] k——导热系数，W/mK；

[0073] T——温度，K；

[0074] t——时间。

[0075] 由此，得到注水空心钢管混凝土的温度场。

[0076] 再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算：本计算分析过程为两步，第一步为施加静荷载，构件在受火前，是受到静力作用的，这一步是模拟构件在受火前的受力状态，得到构件在受火前变形和应力状态结果。第二步为保持静荷载不变，构件在火灾下的荷载是保持不变的，这一步的作用就是模拟构件在火灾下的荷载。导入温度场计算部分的结果，采用商业有限元软件进行计算，最终得到标准火灾下的构件力学计算结果，即得到注水空心钢管混凝土构件的力学场结果。

[0077] 步骤300：根据计算结果获得耐火时间，即：根据获得的力学场得出柱顶位移随时间的变化关系，再根据ISO-834的判断标准就能得到注水空心钢管混凝土构件的耐火时间。根据获取的模型计算数据，并结合ISO-834的构件破坏准则：1.试件无法继续承受预定的竖向荷载；2.试件的轴向变形大于H/100(mm)；3.轴向变形速率大于3H/1000(mm/min)，其中H(mm)为时间的促使初始受火高度，得到注水空心钢管混凝土构件的耐火时间。步骤400：根据耐火时间设计防火措施：根据计算的注水空心钢管混凝土构件的耐火时间和建筑构件耐火时间的要求进行比较，设计防火措施。

[0078] 本发明中，如果计算的注水空心钢管混凝土构件的耐火时间比要求的耐火时间长，则不需要进行额外的防火保护。如果计算的注水空心钢管混凝土构件的耐火时间比要求耐火时间短，则需要进行额外的防火保护。

[0079] 本发明的如在钢管外表面涂上防火涂料。防火涂料的厚度可以根据钟善桐教授的《钢管混凝土统一理论——研究与应用》中的保护层厚度公式计算，具体公式如下：

[0080]

[0081] 其中：d——防火涂料厚度，mm；

[0082] λ——防火涂料的导热系数；

[0083] e——自然对数值，e＝2.71828；

[0084] t——构件的耐火时间。

[0085] 本发明的具体实施例中：将该方法对采用注水空心钢管混凝土构件构造的民用建筑或工业建筑的防火性能评估和防火措施的制定。

[0086] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

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