摘要：本文通過ANSYS對涂有不同厚度保護層的鋼柱的熱分析，顯示出了不同時刻構件截面的溫度分布云圖及截面上特定位置上的節(jié)點隨時間的溫度變化曲線。并對不同厚度保護層鋼管的升溫曲線及截面溫度分布進行了對比。得出了防火涂料在鋼結構抗火中發(fā)揮了重要作用這一結論。

　　關鍵詞：防火涂料,鋼結構,溫度;

　　9.11以來，人們對鋼結構防火研究的興趣日益高漲，因為鋼材雖為非燃燒材料，可鋼材不耐火，隨著鋼材溫度的升高，其強度和剛度都迅速降低，溫度為400 ℃時，鋼材的屈服強度將降至常溫下強度的一半;溫度達到600 ℃時，鋼材的屈服強度和彈性模量降至為常溫下的1/5，基本喪失了全部的強度和剛度。現(xiàn)在主要的鋼構件防火措施是對鋼結構的表面涂加保護層(防火涂料)，這是因為防火涂料的導熱系數(shù)小而比熱大，能有效的吸收熱量并能降低鋼材的的升溫速度。

　　1 火災的發(fā)生過程和影響因素

　　火災是一種包括流動、傳熱和化學反應及其相互作用的復雜燃燒過程。建筑火災一般要經(jīng)歷三個階段，初級增長階段、全盛階段及衰退階段。在初級增長階段和全盛階段之間有一個標志著火災發(fā)生質(zhì)的轉變現(xiàn)象—轟燃。轟然之后火災進入全盛階段。火災的全盛階段的可燃物處于充分燃燒中，室內(nèi)溫度迅速升高，可達800~1000 左右。這時候火災對建筑物的破壞非常嚴重。

　　2鋼柱在火災條件下的升溫

　　經(jīng)典的熱力學認為，熱量是通過三種方式進行傳遞的，即：熱傳導、熱對流和熱輻射。

　　這里我們考慮火災在ISO834標準升溫曲線 的作用下，空氣和房間內(nèi)的熱源分別以對流和輻射的傳遞方式傳遞給防火涂料表面，再通過熱傳導將熱量傳遞給鋼柱。

　　3 有限元軟件ANSYS模擬分析鋼管混凝土的溫度場分布

　　有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學物理問題的數(shù)值方法。ANSYS作為大型通用有限元軟件在工程中有著廣泛的應用，它包括結構分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析等等。ANSYS軟件有限元分析的主要流程包括以下步驟：

　　(1)按照工程問題，確定分析類型、單元類型、材料性質(zhì)、幾何條件、力學條件、邊界條件;

　　(2)建立有限元實體模型，劃分網(wǎng)格、施加邊界條件與荷載條件;

　　(3)根據(jù)工程實際問題，進行求解設置并求解

　　(4)分析計算結果

　　對于火災下的溫度場分析，屬于ANSYS中的瞬態(tài)熱分析。

　　我們選用SOLID70單元，鋼材和防火涂料的熱工參數(shù)如導熱系數(shù)、比熱等在不同的溫度作用下一般來說是溫度的函數(shù)。火災中的空氣通過熱輻射和熱對流向鋼管混凝土傳遞熱量。經(jīng)過建模、劃分網(wǎng)格，加載后就可以求解鋼管混凝土構件在高溫條件下的溫度場分布。下面我們通過一個例子來闡述。

　　4、例子：

　　本例為一有限長實心鋼管，半徑為17.145cm,外面涂有防火保護層，受到ISO-834標準火的作用，在分別考慮不同保護層厚度的條件下，分析此鋼管的溫度場分布及其規(guī)律。

　　(1)本例的計算分析類型為瞬態(tài)分析，火災下的鋼構件溫度場分析屬于第三類邊界條件。空氣與構件間的傳熱分為兩部分，熱輻射與熱對流。采用八結點六面體單元SOLID70。

　　(2)用ANSYS建立分析模型如下：由于此例為圓柱體，所以我們只利用其對稱性，取其四分之一來進行分析。

　　(3)設置并求解：鋼管的初始溫度為20 ，熱對流傳熱系數(shù)取25 ,打開自動時間步(AUTOTS)設置。用STEF命令設置Stefan—Boltzmann常數(shù)為5.67E-8 ，施加上標準火升溫曲線，設置對流和輻射邊界條件，最后求解。

　　(4)結果分析：

　　下圖從左到右給出了鋼柱在保護層厚度分別為0 cm、0.635 cm、1.27 cm下某時刻截面溫度分布云圖：

　　由以上各圖我們得出以下結論：

　　鋼管在火災中的溫度分布數(shù)值由鋼管表面向內(nèi)部逐漸減小，表層的溫度梯度大，內(nèi)部逐漸變小。其等溫線為與外形相似的同心圓。其中裸鋼管表面由于沒有保護層保護，在火災下的鋼管溫度場分布層次更為明顯，其內(nèi)部同心圓的個數(shù)明顯多于有保護層的鋼管。鋼管保護層的厚度越厚，其內(nèi)部鋼管溫度升高的速度也越慢。在徑向分布曲線我們也可以明顯的看出涂有防火層的鋼管受涂料的保護升溫緩慢，而沒有涂防火層的鋼管則升溫迅速。另外，由于火災中防火涂料越厚其吸收的熱量越多，表面的熱量來不及由鋼材散去，所以厚保護層表面溫度就高于薄保護層表面溫度。

　　參考文獻：

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　　[2] 江見鯨, 陳希哲, 崔京浩. 建筑工程事故處理與預防[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：230-256