一种用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法及其应用与流程

本专利涉及木结构抗火设计领域，特别是涉及一种用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法。

背景技术：

胶合木(glued laminated timber)是现代木结构最常用的工程材之一，拥有原木所有的优点：汇碳、环保节能，可再生等，但相比于原木其尺寸、形状设计更灵活，承载力更高，能够满足更多结构、建筑及功能上的需要。近几年，由于我国节能减排及绿色建筑技术和建筑工业现代化的政策导向，胶合木结构在我国的发展非常迅猛。

众所周知木材具有可燃性，故胶合木结构的抗火性能至关重要，相比于钢结构以及混凝土结构，胶合木结构在火灾荷载的作用下，胶合木构件表面发生炭化反应进而燃烧，使胶合木构件截面尺寸减小，承载力降低，最终导致胶合木结构严重破坏，产生火灾安全事故，因而胶合木构件的抗火性能设计至关重要。作为抗火性能设计的重要环节，构件温度场分析是其最基础也是最重要的内容之一。

以往对于胶合木构件温度场分析大多集中在密度、含水率、截面尺寸、受火条件以及受力方式等因素影响下胶合木构件的温度分布，忽略胶缝导热效应对构件整体温度场带来的影响，而将胶合木构件等效于同尺寸原木构件进行温度场分析。胶缝的导热效应会对垂直于胶缝方向的热传导产生阻隔效应，对平行于胶缝方向的热传导产生一定的温度梯度效应。传统分析方法不考虑胶缝导热效应带来的后果，无法精确地获得胶合木构件内部温度分布以及胶缝处的温度变化，这与实际不符，从而导致无法准确地获得木材力学性能随温度变化的规律以及胶缝剪切性能随温度变化的演变规律，对胶合木结构抗火设计带来不利影响。且现有的对胶合木构件受火温度场分析方法大多是通过大型燃烧试验实现，人力物力耗费巨大并且试验受到诸多因素影响而不能达到理想效果，而有限元模拟方法简单易行，可模拟多种工况，考虑不同敏感因素对温度分布的影响规律，其在复杂结构温度场计算中的应用越来越广。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明针对现有技术中存在的缺陷即忽略胶缝导热效应对胶合木构件受火温度场的影响，导致不能精确反应火灾下胶合木构件内部温度分布规律，对后续胶合木结构抗火设计带来不利影响，提供了一种用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法及其应用，精细化分析考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场，综合考虑不同的胶缝厚度、层板厚度以及不同的热工参数模型来获得精确的构件受火温度场，改善常规方法中不考虑胶缝导热效应以及试验分析的局限性带来的不利影响，保证分析结果的精度确保对力学分析的基础作用。

2.技术方案

本发明所述基于ABAQUS的考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场分析方法，包括以下步骤：

步骤一：在ABAQUS前处理模块Standard/Explicit Model中进行二维或三维建模，具体根据胶合木构件的受火条件确定，获得胶合木构件整体模型；

步骤二：在胶合木构件整体模型的基础上通过切割出薄层的方法建立胶缝单元模型，并将胶合木梁整体模型装配实体化；

步骤三：采用胶合木构件的传热学热传导微分方程以及传热学边界条件微分方程确定考虑胶缝导热效应的胶合木构件的温度场，该温度场为热传导、对流传热及热辐射产生的温度场；

步骤四：根据步骤三确定的热传导微分方程和边界条件微分方程设置胶合木构件模型中木材胶粘剂材料的热物本构参数、模型初始条件、边界条件和火灾下升温机制，进行火灾下胶合木构件受火仿真；

步骤五：确定分析步数、步长及总分析时间，并为考虑胶缝单元的胶合木构件整体模型划分网格，根据分析所需精度和保证收敛性原则来确定网格大小、网格疏密程度以及胶缝与木材接触面的网格细化程度，最后提交分析工作获得不同条件下的构件内部温度场分布云图。

所述步骤二中获得胶缝单元模型，其厚度不超过1mm，为均质单元。

所述步骤三中采用考虑胶缝的胶合木构件热传导微分方程和边界条件微分方程，确定温度场的具体办法，

其中所述胶合木构件的热传导微分方程：

木材：

胶缝：

式中T为温度，t为时间微元，λ_xT、λ_yT、λ_zT分别为x、y、z方向上随温度变化的热传导系数，λ′为均质胶缝的热传导系数，ρ_T为木材随温度变化的密度，ρ′为均质胶缝的密度，C_T为木材随温度变化的比热容，C′为均质胶缝的比热容，x、y、z分别为空间坐标系中X、γ、Z轴方向的坐标值，Q(t)为微元体热解过程中的反应热函数。

所述导热微分方程的边界条件为传热学对流传热边界条件对流传热：

对流传热边界条件：

式中n表示界面的法线方向，w表示边界面，h为表面传热系数，T_w表示构件边界上各点温度，T_f为周围流体温度，对流传热边界条件适用于表面传热系数及周围流体的温度已知的情况。

所述步骤三中考虑胶缝的胶合木构件的边界条件还包括两种边界条件微分方程：

辐射边界条件微分方程：

式中ε表示构件表面的辐射率，σ表示玻尔兹曼常数，w表示边界面。n表示界面的法线方向，T_w表示构件边界上各点温度，T_f为周围流体温度。

界面连续条件：

T_I＝T_II,式中式中Ⅰ、Ⅱ分别表示界面上的相邻两个接触面，n表示界面的法线方向，如图2所示，T_I、T_Ⅱ表示对应面上的温度。

利用热传导对流传热边界条件、辐射边界条件以及界面连续条件求解由于热传导、对流传热和热辐射产生的温度场。

步骤五中，火灾下升温机制选择为标准火灾温度曲线，标准火灾升温过程采用国际标准化组织建议的建筑构件抗火试验曲线(ISO 834)。

3.有益效果

本发明根据实际受火条件构建相应的二维或三维胶合木构件模型；通过在整体模型中切割出一个薄层来建立胶缝单元模型基础上考虑胶缝导热效应对胶合木构件受火情况下的温度场的影响，克服传统试验研究其试验设备复杂、费用昂贵、周期长以及进行缩尺试验而无法精确模拟实际结构边界条件的弊端，得到胶合木结构各个部分的温度分布图像，更直观地分析其内部温度分布规律。同时也作为试验方法的一种补充研究方法，相互促进，相互渗透，达到更好的研究效果。

本发明基于有限元分析功能创新性地在火灾下胶合木构件内部温度场分析中考虑了胶缝导热效应对整体温度分布的影响，更精确地反映了火灾下胶合木构件的内部温度分布规律以及变化规律，可以改进传统方法中用木材温度代替胶缝温度研究胶缝剪切性能所带来的误差，更精确的反映性能的变化规律达到更好的设计效果。

附图说明

图1为本发明所述基于ABAQUS的考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场分析方法的流程图；

图2为界面结构示意图；

图3为火灾标准升温曲线图；

图4为实施例1花旗松胶合木梁截面温度云图；

图5为实施例2落叶松胶合木柱截面温度云图；

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例仅帮助本领域技术人员理解本发明，不应作为对本发明的具体限制：

实施例1：

本实施例给出胶合木构件为胶合木梁的情况，一种用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法，该方法包括建模、划分网格、确定参数、模拟边界条件以及仿真计算。具体实施步骤为，如图1所示：

分析花旗松胶合木梁在实际受火条件为标准火灾下三面受火情况下的温度场，梁尺寸为100mm(宽)×200mm(高)×2000mm(长)，胶合木梁由五层胶合单元胶合而成，每层胶合单元厚度为40mm。花旗松密度为448kg/m³，含水率为14.8％。

第一步，根据花旗松胶合木梁实际受火条件为标准火灾下三面受火情况，故假定胶合木梁沿长度方向温度保持不变，在ABAQUS前处理模块Standard/Explicit Model中对花旗松胶合木梁沿长度方向任一截面进行二维建模，获得胶合木梁整体二维截面模型，即获得胶合木梁整体模型。

第二步，在第一步所得二维截面模型高度方向上等间距切割出4层1mm厚薄层作为胶缝单元模型，为均质单元，并将胶合木梁整体模型装配实体化。

第三步，采用考虑胶缝的胶合木构件传热学热传导微分方程以及传热学边界条件微分方程确定考虑胶缝热导效应的胶合木构件的温度场，该温度场为热传导、对流传热及热辐射产生的温度场。

其中所述胶合木构件的二维热传导微分方程：

木材：

胶缝：

式中T为花旗松胶合木梁温度，t为时间微元，λ_xT、λ_yT分别为花旗松胶合木梁x、y方向上随温度变化的热传导系数，λ′为均质胶缝的热传导系数，ρ_T为花旗松随温度变化的密度，ρ′为均质胶缝的密度，C_T为花旗松随温度变化的比热容，C′为均质胶缝的比热容，x、y分别为空间坐标系中X、Y轴方向的坐标值，Q(t)为微元体热解过程中的反应热函数。

已知对流传热系数及周围流体温度故符合对传热学流传热边界条件：

式中n表示界面的法线方向，w表示边界面，h为表面传热系数，T_w表示构件边界上各点温度，T_f为周围流体温度，对流传热边界条件适用于表面传热系数及周围流体的温度已知的情况。

热辐射边界条件微分方程：

式中ε表示构件表面的辐射率，σ表示玻尔兹曼常数，w表示边界面。n表示界面的法线方向，T_w表示构件边界上各点温度，T_f为周围流体温度。

界面连续条件：

T_I＝T_II，式中Ⅰ、II分别表示界面上的相邻两个接触面，n表示界面的法线方向，如图2所示，T_I、T_II表示界面上的相邻两个接触面的温度。

第四步，根据第三步中确定的热传导微分方程和边界条件微分方程设置花旗松胶合木梁模型中木材的热物本构参数(密度比、各向导热系数、比热容)和胶粘剂材料的热物本构参数(密度、导热系数、比热容)、模型初始条件、边界条件和火灾升温曲线(ISO834)，进行火灾下胶合木构件受火仿真。

(1)模型材料的设置：木材密度与树种、含水率等有关，火灾下木材发生热解，木材密度明显降低；构件导热系数与树种、含水率有关且随温度变化较大，且顺纹方向数值约为横纹方向数值的两倍，本实施例不考虑顺纹方向，且随构件表面生成碳层其导热系数逐渐减小反应了碳层对内部的保护作用；比热容随木材性质变化不大，但随温度变化明显。木材密度、导热系数、比热容随温度变化规律取欧洲规范EN 1995.1.2中规定的随温度变化规律如下表1-1：

表1-1：

胶缝为苯酚间苯二酚甲醛树脂固化物，由于相关此类环氧固化物的比热容研究尚未见文献报道，故此处取类比材料塑料的相关取值，密度以及导热系数采用相关文献数据，且假定胶缝固化物密度、热工参数随温度变化可忽略。具体如下表1-2所示：

表1-2：

(2)初始条件及边界条件参数设置：根据实际火灾下胶合木构件受火历程，设置初始温度场、表面对流换热系数、辐射系数及玻尔兹曼常数。本实施例中初始条件为环境温度，设为25℃；三面受火花旗松胶合木梁温度场求解边界条件选取传热学对流传热边界条件、辐射边界条件以及界面连续条件。本发明的建模方式可自动满足界面连续条件，故设置以下参数以满足其他边界条件，具体取值如下表1-3:

表1-3：

在本实施例中，表中的受火面为花旗松木梁的底面以及两侧面，不受火面为花旗松木梁的顶面。

(3)标准火灾温度曲线：本实施例中设定火灾为标准火灾，标准火灾升温过程采用国际标准化组织建议的建筑构件抗火试验曲线(ISO 834),其计算式为：T＝T₀+345lg(8t+1)式中T₀为构件的初始温度即为环境温度20℃；T为燃烧开始后t分钟时环境温度。其变化如图3所示。

第五步，对胶合木梁整体模型进行网格划分，网格划分越密计算精度越高相应的计算时间越长，本实施例中划分网格大小为5mm，胶缝作为结合部属于重点分析对象，故在胶缝处细化厚度方向网格大小为0.5mm以提高计算精度。确定分析步数不超过100步，初始步长1，最小步长0.0001，最大步长1.5及总分析时间30，最后创建并提交分析工作，获得实际受火条件为标准火灾三面受火情况下花旗松胶合木梁考虑胶缝导热效应的温度场分布云图，如图4所示：图中花旗松胶合木梁外边缘线至等温线L1之间温度从840.8℃递减至300℃为碳化层，等温线L1至等温线L2之间温度从300℃递减至27℃为加热层，等温线L2至花旗松胶合木梁中心为常温层。

上述用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法，可应用于木结构抗火设计。

实施例2：

本实施例给出胶合木构件为胶合木柱的情况，一种用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法，该方法包括建模、划分网格、确定参数、模拟边界条件以及仿真计算。具体实施步骤为，如图1所示：

分析落叶松胶合木柱在实际受火条件为标准火灾四面受火情况下的温度场，柱尺寸为350mm(长)×350mm(宽)×800mm(高)，胶合木柱由7层胶合单元胶合而成，每层胶合单元厚度为50mm。落叶松密度为589kg/m³，含水率为16.3％。

第一步，根据落叶松胶合木柱实际受火条件为标准火灾下四面受火情况，故在ABAQUS前处理模块Standard/Explicit Model中进行三维实体建模，横截面尺寸为350mm×350mm，高度为800mm，获得胶合木柱整体三维模型，即获得胶合木柱整体模型。

第二步，在第一步所得三维模型横截面高度方向上等间距切割出6层0.8mm厚薄层作为胶缝单元模型，为均质单元，并将胶合木柱整体模型装配实体化。

第三步，采用考虑胶缝的胶合木构件传热学热传导微分方程以及传热学边界条件微分方程确定考虑胶缝热导效应的胶合木构件的温度场，该温度场为热传导、对流传热及热辐射产生的温度场。

其中所述胶合木构件的三维热传导微分方程：

木材：

胶缝：

式中T为温度，t为时间微元，λ_xT、λ_yT、λ_zT分别为x、y、z方向上随温度变化的热传导系数，λ′为均质胶缝的热传导系数，ρ_T为木材随温度变化的密度，ρ′为均质胶缝的密度，C_T为木材随温度变化的比热容，C′为均质胶缝的比热容，x、y、z分别为空间坐标系中X、Y、Z轴方向的坐标值，Q(t)为微元体热解过程中的反应热函数。

已知对流传热系数及周围流体温度故符合传热学对流传热边界条件：

式中n表示界面的法线方向，w表示边界面，h为表面传热系数，T_w表示构件边界上各点温度，T_f为周围流体温度，对流传热边界条件适用于表面传热系数及周围流体的温度已知的情况。

热辐射边界条件微分方程：

式中ε表示构件表面的辐射率，σ表示玻尔兹曼常数，w表示边界面。n表示界面的法线方向，T_w表示构件边界上各点温度，T_f为周围流体温度。

界面连续条件：

T_I＝T_II，式中式中Ⅰ、Ⅱ分别表示界面上的相邻两个接触面，n表示界面的法线方向，如图2所示，T_I、T_Ⅱ表示对应面上的温度。

第四步，根据第三步中确定的热传导微分方程和边界条件微分方程设置落叶松胶合木柱模型中木材的热物本构参数(密度比、各向导热系数、比热容)和胶粘剂材料的热物本构参数(密度、导热系数、比热容)、模型初始条件、边界条件和火灾升温曲线(ISO834)，进行火灾下胶合木构件受火仿真。

(1)模型材料的设置：木材密度与树种、含水率等有关，火灾下木材发生热解，木材密度明显降低；木材导热系数与树种、含水率有关且随温度变化较大，且顺纹方向数值约为横纹方向数值的两倍，且随构件表面生成碳层其导热系数逐渐减小反应了碳层对内部的保护作用；比热容随木材性质变化不大，但随温度变化明显。木材密度、导热系数、比热容随温度变化规律取欧洲规范EN 1995.1.2中规定的随温度变化规律如下表2-1：

表2-1：

胶缝为苯酚间苯二酚甲醛树脂固化物，由于相关此类环氧固化物的比热容研究尚未见文献报道，故此处取类比材料塑料的相关取值，密度以及导热系数采用相关文献数据，且假定胶缝固化物密度、热工参数随温度变化可忽略。具体如下表所示：

表2-2：

(2)初始条件及边界条件参数设置：根据实际火灾下胶合木构件受火历程，设置初始温度场、表面对流换热系数、辐射系数及玻尔兹曼常数。本实施例中初始条件为环境温度，设为25℃；四面受火落叶松胶合木柱温度场求解边界条件选取传热学对流传热边界条件、辐射边界条件以及界面连续条件。本发明的建模方式可自动满足界面连续条件，故设置以下参数以满足其他边界条件，具体取值如下表:

表2-3：

在本实施例中，表中的受火面为落叶松胶合木柱的四个侧面，绝热面为落叶松木柱的上下柱面。

(3)标准火灾温度曲线：本实施例中设定火灾为标准火灾，标准火灾升温过程采用国际标准化组织建议的建筑构件抗火试验曲线(ISO 834),其计算式为：T＝T₀+345lg(8t+1)式中T₀为构件的初始温度即为环境温度20℃；T为燃烧开始后t分钟时环境温度。其变化如附图3所示。

第五步，对落叶松胶合木柱整体模型进行网格划分，网格划分越密计算精度越高相应的计算时间越长，本实施例表面第一层胶合单元划分网格大小为5mm，内部各层胶合单元划分网格大小10mm，胶缝作为结合部属于重点分析对象，故在胶缝处细化厚度方向网格大小为0.4mm以提高计算精度。确定分析步数不超过1000步，初始步长1，最小步长0.0001，最大步长1.5及总分析时间45，最后创建并提交分析工作，获得实际受火条件为标准火灾四面受火情况下落叶松胶合木柱考虑胶缝导热效应的温度场分布云图，如图5所示：图中落叶松胶合木柱外表面至等温面S1之间温度由822℃降低至300℃为碳化层，等温面S1至等温面S2之间温度由300℃降低至20℃为加热层，等温面S2至落叶松胶合木柱中心为常温层。

上述用于考虑胶缝导热效应的胶合木构件受火温度场的分析方法，应用于木结构抗火设计。