CN116644565B - 一种钢框架结构热-力耦合数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢框架结构热‑力耦合数值模拟方法，包括：建立基于梁、壳单元的钢框架结构温度场模型，定义材料的热工参数，设置模型的热边界条件和热辐射对流系数，计算得到采用复合材料壳单元的温度数据；建立基于实体单元的梁、柱构件温度场模型，通过传热分析得到梁、柱构件截面的平均温度数据；根据所述钢框架结构温度场模型建立力学场模型，改用多层壳单元模拟钢筋混凝土楼板，定义材料的热力学性能参数，通过预定义场将实体单元梁、柱构件截面的平均温度赋予给梁单元，将框架结构温度场模型的温度数据导入到所述力学场模型中，得到钢框架结构耐火性能分析结果。本发明准确的反应钢框架结构受火后的力学性能，简化了建模流程，提高了计算效率。
Description
技术领域
本发明属于土木工程中结构抗火研究技术领域，具体涉及一种钢框架结构热-力耦合数值模拟方法。
背景技术
钢材耐火性能较差，当温度达到600℃以上时，将丧失大部分强度和刚度，极易引发结构的局部或整体倒塌。钢框架结构一般应用于工业厂房、住宅和办公楼等建筑，此类建筑火灾发生频率较高，对公众的生命和财产安全危害较大。
目前对于结构的耐火性能研究主要包括试验研究和数值模拟研究两类。由于结构整体抗火试验过程较为复杂，实施难度大且花费较高，所以有大量学者采用有限元模拟的方法对钢框架结构的抗火性能进行了研究。然而多数有限元模型仅考虑梁、柱构件，忽略了楼板对钢框架结构抗火性能的影响；同时，有限元分析中主要采用实体单元进行建模，对于多层或高层钢框架结构而言，采用实体单元进行热-力耦合模拟具有建模过程复杂、计算效率低等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢框架结构热-力耦合数值模拟方法以解决现有技术中存在的问题。
本发明的技术方案如下：
一种钢框架结构热-力耦合数值模拟方法，具体包括：
建立基于梁、壳单元的钢框架结构温度场模型，定义材料的热工参数，设置模型的热边界条件和热辐射对流系数，计算得到采用复合材料壳单元的温度数据；
建立基于实体单元的梁、柱构件温度场模型，通过传热分析得到梁、柱构件截面的平均温度数据；
根据所述钢框架结构温度场模型建立力学场模型，改用多层壳单元模拟钢筋混凝土楼板，定义材料的热力学性能参数，通过预定义场将实体单元梁、柱构件截面的平均温度赋予给梁单元，将框架结构温度场模型的温度数据导入到所述力学场模型中，得到钢框架结构耐火性能分析结果。
进一步的，在温度场模型中，钢梁和钢柱选用梁单元建模，建模参数为所述钢梁和钢柱的截面面积和截面尺寸；
钢筋混凝土楼板选用复合材料壳单元建模，建模参数包括：层名称、区域、材料类型、厚度、坐标系、旋转角度、积分点数量。
进一步的，所述温度场模型初始温度设置为20℃。
进一步的，在所述温度场模型中计算得到复合材料壳单元的温度数据时，隐藏所述钢梁和钢柱构件。
进一步的，所述热工参数包括：导热系数、容重、比热。
进一步的，所述热力学性能参数包括：应力-应变关系、泊松比、热膨胀系数。
进一步的，所述梁、柱构件截面的平均温度需要建立相应实体模型进行热传导分析，输出截面所有节点温度数据再求平均值得到。
进一步的，在力学场模型中，所述钢筋混凝土楼板改为分层壳单元建模，建模参数包括：层名称、材料类型、钢筋面积、钢筋间距、旋转角度、位置。
进一步的，所述分层壳单元厚度方向积分点数量和所述复合材料壳单元积分点数量一致。
本发明的技术效果：
本发明提出的方法可保证梁、柱及钢筋混凝土楼板内部温度的有效传递，准确的反应钢框架结构受火后的力学性能，极大地简化了建模流程，提高了计算效率。
附图说明
附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例，附图中，主要以一个带楼板的3×3×3的钢框架结构作为示例；部分尺寸不一定按照实际比例绘制。
图1示出了本发明的热-力耦合数值模拟流程示意图；
图2示出了本发明的钢框架结构温度场模型；
图3示出了本发明的复合材料壳单元沿厚度方向分布示意图，以双层双向布置钢筋为例；
图4示出了本发明的隐藏梁、柱构件后用于温度场分析的楼板模型示意图；
图5示出了本发明的实体梁、柱构件温度场分析模型示意图；
图6示出了本发明的受火房间示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本发明提供一种钢框架结构热-力耦合数值模拟方法
下面结合附图对本发明作进一步描述。所述方法包括以下步骤：
1.利用有限元软件ABAQUS，根据钢框架结构的实际尺寸建立温度场模型。
1)在温度场模型中，钢梁和钢柱选用梁单元建模；钢筋混凝土楼板选用复合材料壳单元建模，如图2所示。
2)分别定义梁、柱所用钢材以及楼板所用混凝土和钢筋的热工参数，包括：导热系数、容重、比热。
3)梁单元需要在Edit Beam Section中编辑截面尺寸来模拟梁、柱构件的截面形状；复合材料壳单元需要按照楼板混凝土保护层的厚度和钢筋层的位置定义壳单元沿厚度方向的参数，包括：层名称、区域、材料类型、厚度、坐标系、旋转角度、积分点数量。
4)模拟钢筋混凝土楼板的复合材料壳单元沿厚度方向分布示意图如图3所示。总共分为7层，底层和顶层为混凝土保护层，相邻的4层为双层双向钢筋层，中间为混凝土层。需要注意的是通过等效厚度公式将钢筋层简化为薄钢板层，具体公式如下：
式中：ts为钢筋层简化为薄钢板的厚度；As为钢筋面积；ds为钢筋间距。
为了便于提取各材料层的温度场计算结果，将各层的积分点数量设置为3。
5)定义一个热传导(Heat Transfer)分析步，在Edit Keywords中添加以下关键字用来输出节点温度变化结果.fil文件。
*node file
NT
6)由于梁单元无法进行热传导(Heat Transfer)分析，需要在组装模型中隐藏梁、柱构件，只对楼板进行内部传热分析，如图4所示。分别设定受火面及非受火面的对流换热系数和综合辐射系数。玻尔兹曼常数(Stefan-Blotzmann constant)取为5.67×10-8W/(m2·K4)，绝对零度(Absolute zero temperature)取为-273℃，模型初始温度取为20℃。
7)在网格划分模块定义楼板壳单元的单元类型为Heat Transfer。之后提交模型进行温度场计算。
2.单独建立受火房间梁、柱构件温度场模型，采用实体单元建模。参考步骤1定义材料的热工参数，设置模型的热边界条件和热辐射对流系数，计算得到温度数据，将截面所有节点温度输出求得梁、柱构件的截面平均温度数据。
3.复制钢框架温度场模型，通过修改建立力学场模型，保证温度场模型和力学场模型节点编号一致。
1)分别定义梁、柱所用钢材以及楼板所用混凝土和钢筋的热力学性能，包括：应力-应变关系、泊松比、热膨胀系数。
2)改用分层壳单元模拟钢筋混凝土楼板，通过定义Rebar Layers中的参数来模拟钢筋层，包括：层名称、材料类型、钢筋面积、钢筋间距、旋转角度、位置。为了保证节点温度传递，分层壳单元厚度方向积分点数量要和温度场模型中复合材料壳单元积分点数量一致。
3)设置两个静力(Static)分析步，第一步step1用来施加外部荷载，第二步step2用来导入温度场结果进行顺序热-力耦合分析。
4)将隐藏的梁单元显示出来，钢梁和楼板之间建立Tie约束模拟组合梁的约束作用。将底层柱底建立与实际对应的边界条件，各层楼板施加相应荷载。之后将步骤1得到的温度场计算结果.fil文件导入力学场模型。
5)梁、柱构件未进行热传导分析，所以在力学场模型中的预定义场中直接定义温度。如图6所示，受火房间梁、柱构件按照步骤2得到的截面平均温度输入，保证构件温度的准确性；相邻房间梁、柱温度按照对应房间实测环境温度输入，用以模拟火灾蔓延的影响。
6)在网格划分模块定义梁、柱构件梁单元的单元类型为Beam，楼板壳单元的单元类型为Shell。之后提交模型进行力学场计算，得到钢框架结构耐火性能分析结果。
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种钢框架结构热-力耦合数值模拟方法，其特征在于，具体包括：
建立基于梁、壳单元的钢框架结构温度场模型，定义材料的热工参数，设置模型的热边界条件和热辐射对流系数，计算得到采用复合材料壳单元的温度数据；
建立基于实体单元的钢梁、钢柱构件温度场模型，通过传热分析得到钢梁、钢柱构件截面的平均温度数据；
根据所述钢框架结构温度场模型建立力学场模型，改用分层壳单元模拟钢筋混凝土楼板，定义材料的热力学性能参数，通过预定义场将实体单元钢梁、钢柱构件截面的平均温度赋予给梁单元，将所述框架结构温度场模型的温度数据导入到所述力学场模型中，得到钢框架结构耐火性能分析结果；
在温度场模型中，钢梁和钢柱选用梁单元建模，建模参数为所述钢梁和钢柱的截面面积和截面尺寸；
钢筋混凝土楼板选用复合材料壳单元建模，建模参数包括：层名称、区域、材料类型、厚度、坐标系、旋转角度、积分点数量；
所述热工参数包括：导热系数、容重、比热；
所述热力学性能参数包括：应力-应变关系、泊松比、热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，
在所述温度场模型中计算得到复合材料壳单元的温度数据时，隐藏所述钢梁和所述钢柱。
3.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，
所述钢梁、钢柱构件截面的平均温度需要建立相应实体模型进行热传导分析，输出截面所有节点温度数据再求平均值得到。
4.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，
在力学场模型中，所述钢筋混凝土楼板改为分层壳单元建模，建模参数包括：层名称、材料类型、钢筋面积、钢筋间距、旋转角度、位置。
5.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，
所述分层壳单元厚度方向积分点数量和复合材料壳单元积分点数量一致。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103324797A (zh) * | 2013-06-21 | 2013-09-25 | 上海交通大学 | 一种高层钢框架结构整体抗火性能的检验分析方法 |
| CN103726434A (zh) * | 2014-01-07 | 2014-04-16 | 东南大学 | 高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型建立方法 |
| CN106570268A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-04-19 | 中南大学 | 混凝土梁结构温度‑变形耦合分析方法及系统 |
| CN108959725A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-12-07 | 东南大学 | 钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法 |
| CN110263473A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-20 | 应急管理部四川消防研究所 | 一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法 |
| CN112528540A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-19 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种基于力热耦合计算的结构优化方法 |
| CN112949115A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-11 | 青岛理工大学 | 一种t形叠合梁火灾后残余承载力计算方法 |
-
2023
- 2023-05-16 CN CN202310550013.5A patent/CN116644565B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103324797A (zh) * | 2013-06-21 | 2013-09-25 | 上海交通大学 | 一种高层钢框架结构整体抗火性能的检验分析方法 |
| CN103726434A (zh) * | 2014-01-07 | 2014-04-16 | 东南大学 | 高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型建立方法 |
| CN106570268A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-04-19 | 中南大学 | 混凝土梁结构温度‑变形耦合分析方法及系统 |
| CN108959725A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-12-07 | 东南大学 | 钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法 |
| CN110263473A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-20 | 应急管理部四川消防研究所 | 一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法 |
| CN112528540A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-19 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种基于力热耦合计算的结构优化方法 |
| CN112949115A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-11 | 青岛理工大学 | 一种t形叠合梁火灾后残余承载力计算方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| "A numerical investigation of 3D structural behaviour for steel-composite structures under various travelling fire scenarios";Zhuojun Nan 等;《Engineering Structures》;20220930;第267卷;第1-24页 * |
| "Fire behaviour of thin-walled steel tube confined reinforced concrete stub columns under axial compression";Ruizhi Zhang 等;《Journal of Constructional Steel Research》;20200930;第172卷;第1-16页 * |
| "不同比例钢筋混凝土单层框架火灾下的热-力响应相似性研究";李绮玉;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅱ辑）》;20230115;第1-108页 * |
| "十字形钢管再生混凝土芯柱静力与耐火性能的研究";黄蕾;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅱ辑）》;20220315;第1-86页 * |
| "复合材料薄壁方管准静态轴向压缩失效机理及吸能特性";冯振宇 等;《高分子材料科学与工程》;20190831;第35卷(第35期);第94-104页 * |
| "钢结构整体抗火模型的建立与有限元分析";乔想;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅱ辑）》;20150315;第1-62页 * |
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