一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法与流程

本发明涉及一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法。

背景技术：

目前钢筋混凝土楼板耐火极限数值，一般是通过实际试验得出，即通过将钢筋混凝土楼板安装于燃烧试验炉上，在ISO834标准升温曲线下进行试验，得到钢筋混凝土楼板的耐火极限数值。钢筋混凝土楼板耐火极限数值通过试验获取的成本高、耗时长，并且在实验过程中由于环境因素及操作失误等原因，导致得到的耐火极限数值可能存在较大误差。给结构抗火设计的可靠性带来了较大的不确定性。

因此，构建一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法，通过计算的方式精确计算出钢筋混凝土楼板耐火极限数值，为结构抗火设计提供可靠计算手段，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法，解决现有技术获取钢筋混凝土楼板耐火极限数值麻烦，以及所获取钢筋混凝土楼板耐火极限数值误差大不利于结构抗火设计的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法，包括以下步骤：

步骤1、采用实体单元建立钢筋混凝土楼板的热分析模型，设置好边界条件后，计算得到钢筋混凝土楼板厚度方向的升温曲线；

步骤2、采用分层壳单元建立钢筋混凝土楼板的有限元数值模型，设置壳单元截面的混凝土层与钢筋层积分点信息，然后选取材料库中高温力学性能的材料本构模型赋予截面积分点；

步骤3、首先对钢筋混凝土楼板上表面加载初始静荷载，然后对各积分点输入所述升温曲线以进行温度荷载加载；

步骤4、设置求解时间与控制参数，对钢筋混凝土楼板进行求解，提取求解结果文件中钢筋混凝土楼板中部的变形时程曲线，根据该钢筋混凝土楼板中部变形时程曲线特点判定得到楼板的耐火极限。

进一步地，在所述步骤1中，在进行热分析模型建模时，根据待分析钢筋混凝土楼板的几何尺寸，用hypermesh建立楼板的几何模型，再采用实体单元对几何模型划分网格，根据实际情况设置模型边界条件，最后将hypermesh建立的有限元模型转化成LS-DYNA的k文件。

进一步地，在所述步骤1中，在计算钢筋混凝土楼板厚度方向的升温曲线时，根据热分析模型受火面的升温曲线和构建热分析模型材料的导热系数和比热容，采用热传导计算公式计算出钢筋混凝土楼板厚度方向内部不同积分点的升温曲线。

进一步地，在所述步骤4中，对钢筋混凝土楼板进行求解时，根据求解时间与控制参数，利用有限元算法求解出钢筋混凝土楼板的力学控制方程，再根据该力学控制方程计算出钢筋混凝土楼板的变形时程曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明构思奇妙、设计科学合理，使用方便，钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算精确，可为结构抗火设计提供可靠精准的计算数据。

本发明利用分层壳单元建立钢筋混凝土楼板结构数值模型，对截面不同材料赋予温度相关的材料参数，并且对不同积分点输入相应的升温曲线，最终利用LS-DYNA进行数值计算，直至结构失效破坏。本发明利用上述方法可以精准计算出钢筋混凝土楼板的耐火极限，分析不同边界条件、荷载大小以及防火保护方式等因素对耐火极限的影响，为结构抗火设计提供可靠计算手段。

附图说明

图1为本发明采用分层壳单元建立钢筋混凝土楼板结构的数值模型示意图。

图2为本发明钢筋混凝土楼板厚度方向内部不同积分点的升温曲线图。

图3为本发明实例中材料比热容随温度变化曲线图。

图4为本发明实例中材料导热系数随温度变化曲线图。

图5为本发明实例中材料厚度方向内部不同积分点的升温曲线图。

图6为本发明实例中材料中部的变形时程曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1和2所示，本发明提供的一种钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算方法，构思奇妙、设计科学合理，使用方便，钢筋混凝土楼板耐火极限数值计算精确，可为结构抗火设计提供可靠精准的计算数据。本发明包括以下步骤：

步骤1、采用实体单元建立钢筋混凝土楼板的热分析模型，根据待分析钢筋混凝土楼板的几何尺寸，用hypermesh建立楼板的几何模型，再采用实体单元对几何模型划分网格，根据实际情况设置模型边界条件，最后将hypermesh建立的有限元模型转化成LS-DYNA的k文件。设置好边界条件后，计算得到钢筋混凝土楼板厚度方向的升温曲线，根据热分析模型受火面的升温曲线和构建热分析模型材料的导热系数和比热容，采用热传导计算公式计算出钢筋混凝土楼板厚度方向内部不同积分点的升温曲线。

步骤2、采用分层壳单元建立钢筋混凝土楼板的有限元数值模型，设置壳单元截面的混凝土层与钢筋层积分点信息，然后选取材料库中高温力学性能的材料本构模型赋予截面积分点。

步骤3、首先对钢筋混凝土楼板上表面加载初始静荷载，然后对各积分点输入所述升温曲线以进行温度荷载加载。

步骤4、设置求解时间与控制参数，对钢筋混凝土楼板进行求解，根据求解时间与控制参数，利用有限元算法求解出钢筋混凝土楼板的力学控制方程，再根据该力学控制方程计算出钢筋混凝土楼板的变形时程曲线。之后提取求解结果文件中钢筋混凝土楼板中部的变形时程曲线，根据该钢筋混凝土楼板中部变形时程曲线特点判定得到楼板的耐火极限。

本发明利用分层壳单元建立钢筋混凝土楼板结构数值模型，对截面不同材料赋予温度相关的材料参数，并且对不同积分点输入相应的升温曲线，最终利用LS-DYNA进行数值计算，直至结构失效破坏。本发明利用上述方法可以精准计算出钢筋混凝土楼板的耐火极限，分析不同边界条件、荷载大小以及防火保护方式等因素对耐火极限的影响，为结构抗火设计提供可靠计算手段。

为了使本领域技术人员能够更好地理解本技术方案，特提供以下实例进行阐述。

如图3-6所示，对钢筋混凝土楼板火灾试验进行计算分析。

步骤一：热分析计算楼板厚度方向的温度场分布。

(1)根据楼板尺寸在LS-DYNA中建立热分析模型；

(2)设置混凝土材料的比热容和导热系数，如图3和4所示；

比热容：cc,θ＝890+56.2(θc/100)-3.4(θc/100)²；

导热系数：λc＝2-0.2451(θc/100)+0.0107(θc/100)²；

(3)热分析计算，如图5所示。

步骤二：钢筋混凝土楼板耐火极限计算。

(1)采用分层壳单元建立钢筋混凝土楼板数值模型；

(2)设置分层壳单元截面积分点信息；

(3)对分层壳单元厚度方向积分点分别赋予混凝土材料和钢筋材料的高温力学本构参数；

(4)对数值模型进行结构分析计算；

(5)提取楼板中点处竖向变形与温度的关系曲线，根据曲线特性确定钢筋混凝土楼板耐火极限，如图6所示。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。