本專利涉及木結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的分析方法。

背景技術(shù)：

膠合木(glued laminated timber)是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)最常用的工程材之一，擁有原木所有的優(yōu)點(diǎn)：匯碳、環(huán)保節(jié)能，可再生等，但相比于原木其尺寸、形狀設(shè)計(jì)更靈活，承載力更高，能夠滿足更多結(jié)構(gòu)、建筑及功能上的需要。近幾年，由于我國(guó)節(jié)能減排及綠色建筑技術(shù)和建筑工業(yè)現(xiàn)代化的政策導(dǎo)向，膠合木結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展非常迅猛。

眾所周知木材具有可燃性，故膠合木結(jié)構(gòu)的抗火性能至關(guān)重要，相比于鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)，膠合木結(jié)構(gòu)在火災(zāi)荷載的作用下，膠合木構(gòu)件表面發(fā)生炭化反應(yīng)進(jìn)而燃燒，使膠合木構(gòu)件截面尺寸減小，承載力降低，最終導(dǎo)致膠合木結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生火災(zāi)安全事故，因而膠合木構(gòu)件的抗火性能設(shè)計(jì)至關(guān)重要。作為抗火性能設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，構(gòu)件溫度場(chǎng)分析是其最基礎(chǔ)也是最重要的內(nèi)容之一。

以往對(duì)于膠合木構(gòu)件溫度場(chǎng)分析大多集中在密度、含水率、截面尺寸、受火條件以及受力方式等因素影響下膠合木構(gòu)件的溫度分布，忽略膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)對(duì)構(gòu)件整體溫度場(chǎng)帶來(lái)的影響，而將膠合木構(gòu)件等效于同尺寸原木構(gòu)件進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。膠縫的導(dǎo)熱效應(yīng)會(huì)對(duì)垂直于膠縫方向的熱傳導(dǎo)產(chǎn)生阻隔效應(yīng)，對(duì)平行于膠縫方向的熱傳導(dǎo)產(chǎn)生一定的溫度梯度效應(yīng)。傳統(tǒng)分析方法不考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)帶來(lái)的后果，無(wú)法精確地獲得膠合木構(gòu)件內(nèi)部溫度分布以及膠縫處的溫度變化，這與實(shí)際不符，從而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地獲得木材力學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律以及膠縫剪切性能隨溫度變化的演變規(guī)律，對(duì)膠合木結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)帶來(lái)不利影響。且現(xiàn)有的對(duì)膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)分析方法大多是通過(guò)大型燃燒試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，人力物力耗費(fèi)巨大并且試驗(yàn)受到諸多因素影響而不能達(dá)到理想效果，而有限元模擬方法簡(jiǎn)單易行，可模擬多種工況，考慮不同敏感因素對(duì)溫度分布的影響規(guī)律，其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用越來(lái)越廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷即忽略膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)對(duì)膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的影響，導(dǎo)致不能精確反應(yīng)火災(zāi)下膠合木構(gòu)件內(nèi)部溫度分布規(guī)律，對(duì)后續(xù)膠合木結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)帶來(lái)不利影響，提供了一種用于考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的分析方法及其應(yīng)用，精細(xì)化分析考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)，綜合考慮不同的膠縫厚度、層板厚度以及不同的熱工參數(shù)模型來(lái)獲得精確的構(gòu)件受火溫度場(chǎng)，改善常規(guī)方法中不考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)以及試驗(yàn)分析的局限性帶來(lái)的不利影響，保證分析結(jié)果的精度確保對(duì)力學(xué)分析的基礎(chǔ)作用。

2.技術(shù)方案

本發(fā)明所述基于ABAQUS的考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)分析方法，包括以下步驟：

步驟一：在ABAQUS前處理模塊Standard/Explicit Model中進(jìn)行二維或三維建模，具體根據(jù)膠合木構(gòu)件的受火條件確定，獲得膠合木構(gòu)件整體模型；

步驟二：在膠合木構(gòu)件整體模型的基礎(chǔ)上通過(guò)切割出薄層的方法建立膠縫單元模型，并將膠合木梁整體模型裝配實(shí)體化；

步驟三：采用膠合木構(gòu)件的傳熱學(xué)熱傳導(dǎo)微分方程以及傳熱學(xué)邊界條件微分方程確定考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件的溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)為熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱及熱輻射產(chǎn)生的溫度場(chǎng)；

步驟四：根據(jù)步驟三確定的熱傳導(dǎo)微分方程和邊界條件微分方程設(shè)置膠合木構(gòu)件模型中木材膠粘劑材料的熱物本構(gòu)參數(shù)、模型初始條件、邊界條件和火災(zāi)下升溫機(jī)制，進(jìn)行火災(zāi)下膠合木構(gòu)件受火仿真；

步驟五：確定分析步數(shù)、步長(zhǎng)及總分析時(shí)間，并為考慮膠縫單元的膠合木構(gòu)件整體模型劃分網(wǎng)格，根據(jù)分析所需精度和保證收斂性原則來(lái)確定網(wǎng)格大小、網(wǎng)格疏密程度以及膠縫與木材接觸面的網(wǎng)格細(xì)化程度，最后提交分析工作獲得不同條件下的構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖。

所述步驟二中獲得膠縫單元模型，其厚度不超過(guò)1mm，為均質(zhì)單元。

所述步驟三中采用考慮膠縫的膠合木構(gòu)件熱傳導(dǎo)微分方程和邊界條件微分方程，確定溫度場(chǎng)的具體辦法，

其中所述膠合木構(gòu)件的熱傳導(dǎo)微分方程：

木材：

膠縫：

式中T為溫度，t為時(shí)間微元，λ_xT、λ_yT、λ_zT分別為x、y、z方向上隨溫度變化的熱傳導(dǎo)系數(shù)，λ′為均質(zhì)膠縫的熱傳導(dǎo)系數(shù)，ρ_T為木材隨溫度變化的密度，ρ′為均質(zhì)膠縫的密度，C_T為木材隨溫度變化的比熱容，C′為均質(zhì)膠縫的比熱容，x、y、z分別為空間坐標(biāo)系中X、γ、Z軸方向的坐標(biāo)值，Q(t)為微元體熱解過(guò)程中的反應(yīng)熱函數(shù)。

所述導(dǎo)熱微分方程的邊界條件為傳熱學(xué)對(duì)流傳熱邊界條件對(duì)流傳熱：

對(duì)流傳熱邊界條件：

式中n表示界面的法線方向，w表示邊界面，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，T_w表示構(gòu)件邊界上各點(diǎn)溫度，T_f為周圍流體溫度，對(duì)流傳熱邊界條件適用于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及周圍流體的溫度已知的情況。

所述步驟三中考慮膠縫的膠合木構(gòu)件的邊界條件還包括兩種邊界條件微分方程：

輻射邊界條件微分方程：

式中ε表示構(gòu)件表面的輻射率，σ表示玻爾茲曼常數(shù)，w表示邊界面。n表示界面的法線方向，T_w表示構(gòu)件邊界上各點(diǎn)溫度，T_f為周圍流體溫度。

界面連續(xù)條件：

T_I＝T_II,式中式中Ⅰ、Ⅱ分別表示界面上的相鄰兩個(gè)接觸面，n表示界面的法線方向，如圖2所示，T_I、T_Ⅱ表示對(duì)應(yīng)面上的溫度。

利用熱傳導(dǎo)對(duì)流傳熱邊界條件、輻射邊界條件以及界面連續(xù)條件求解由于熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱和熱輻射產(chǎn)生的溫度場(chǎng)。

步驟五中，火災(zāi)下升溫機(jī)制選擇為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度曲線，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫過(guò)程采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議的建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線(ISO 834)。

3.有益效果

本發(fā)明根據(jù)實(shí)際受火條件構(gòu)建相應(yīng)的二維或三維膠合木構(gòu)件模型；通過(guò)在整體模型中切割出一個(gè)薄層來(lái)建立膠縫單元模型基礎(chǔ)上考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)對(duì)膠合木構(gòu)件受火情況下的溫度場(chǎng)的影響，克服傳統(tǒng)試驗(yàn)研究其試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)以及進(jìn)行縮尺試驗(yàn)而無(wú)法精確模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)邊界條件的弊端，得到膠合木結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的溫度分布圖像，更直觀地分析其內(nèi)部溫度分布規(guī)律。同時(shí)也作為試驗(yàn)方法的一種補(bǔ)充研究方法，相互促進(jìn)，相互滲透，達(dá)到更好的研究效果。

本發(fā)明基于有限元分析功能創(chuàng)新性地在火災(zāi)下膠合木構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)分析中考慮了膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)對(duì)整體溫度分布的影響，更精確地反映了火災(zāi)下膠合木構(gòu)件的內(nèi)部溫度分布規(guī)律以及變化規(guī)律，可以改進(jìn)傳統(tǒng)方法中用木材溫度代替膠縫溫度研究膠縫剪切性能所帶來(lái)的誤差，更精確的反映性能的變化規(guī)律達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述基于ABAQUS的考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)分析方法的流程圖；

圖2為界面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線圖；

圖4為實(shí)施例1花旗松膠合木梁截面溫度云圖；

圖5為實(shí)施例2落葉松膠合木柱截面溫度云圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所述實(shí)施例僅幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明，不應(yīng)作為對(duì)本發(fā)明的具體限制：

實(shí)施例1：

本實(shí)施例給出膠合木構(gòu)件為膠合木梁的情況，一種用于考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的分析方法，該方法包括建模、劃分網(wǎng)格、確定參數(shù)、模擬邊界條件以及仿真計(jì)算。具體實(shí)施步驟為，如圖1所示：

分析花旗松膠合木梁在實(shí)際受火條件為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下三面受火情況下的溫度場(chǎng)，梁尺寸為100mm(寬)×200mm(高)×2000mm(長(zhǎng))，膠合木梁由五層膠合單元膠合而成，每層膠合單元厚度為40mm。花旗松密度為448kg/m³，含水率為14.8％。

第一步，根據(jù)花旗松膠合木梁實(shí)際受火條件為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下三面受火情況，故假定膠合木梁沿長(zhǎng)度方向溫度保持不變，在ABAQUS前處理模塊Standard/Explicit Model中對(duì)花旗松膠合木梁沿長(zhǎng)度方向任一截面進(jìn)行二維建模，獲得膠合木梁整體二維截面模型，即獲得膠合木梁整體模型。

第二步，在第一步所得二維截面模型高度方向上等間距切割出4層1mm厚薄層作為膠縫單元模型，為均質(zhì)單元，并將膠合木梁整體模型裝配實(shí)體化。

第三步，采用考慮膠縫的膠合木構(gòu)件傳熱學(xué)熱傳導(dǎo)微分方程以及傳熱學(xué)邊界條件微分方程確定考慮膠縫熱導(dǎo)效應(yīng)的膠合木構(gòu)件的溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)為熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱及熱輻射產(chǎn)生的溫度場(chǎng)。

其中所述膠合木構(gòu)件的二維熱傳導(dǎo)微分方程：

木材：

膠縫：

式中T為花旗松膠合木梁溫度，t為時(shí)間微元，λ_xT、λ_yT分別為花旗松膠合木梁x、y方向上隨溫度變化的熱傳導(dǎo)系數(shù)，λ′為均質(zhì)膠縫的熱傳導(dǎo)系數(shù)，ρ_T為花旗松隨溫度變化的密度，ρ′為均質(zhì)膠縫的密度，C_T為花旗松隨溫度變化的比熱容，C′為均質(zhì)膠縫的比熱容，x、y分別為空間坐標(biāo)系中X、Y軸方向的坐標(biāo)值，Q(t)為微元體熱解過(guò)程中的反應(yīng)熱函數(shù)。

已知對(duì)流傳熱系數(shù)及周圍流體溫度故符合對(duì)傳熱學(xué)流傳熱邊界條件：

式中n表示界面的法線方向，w表示邊界面，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，T_w表示構(gòu)件邊界上各點(diǎn)溫度，T_f為周圍流體溫度，對(duì)流傳熱邊界條件適用于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及周圍流體的溫度已知的情況。

熱輻射邊界條件微分方程：

式中ε表示構(gòu)件表面的輻射率，σ表示玻爾茲曼常數(shù)，w表示邊界面。n表示界面的法線方向，T_w表示構(gòu)件邊界上各點(diǎn)溫度，T_f為周圍流體溫度。

界面連續(xù)條件：

T_I＝T_II，式中Ⅰ、II分別表示界面上的相鄰兩個(gè)接觸面，n表示界面的法線方向，如圖2所示，T_I、T_II表示界面上的相鄰兩個(gè)接觸面的溫度。

第四步，根據(jù)第三步中確定的熱傳導(dǎo)微分方程和邊界條件微分方程設(shè)置花旗松膠合木梁模型中木材的熱物本構(gòu)參數(shù)(密度比、各向?qū)嵯禂?shù)、比熱容)和膠粘劑材料的熱物本構(gòu)參數(shù)(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容)、模型初始條件、邊界條件和火災(zāi)升溫曲線(ISO834)，進(jìn)行火災(zāi)下膠合木構(gòu)件受火仿真。

(1)模型材料的設(shè)置：木材密度與樹(shù)種、含水率等有關(guān)，火災(zāi)下木材發(fā)生熱解，木材密度明顯降低；構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)與樹(shù)種、含水率有關(guān)且隨溫度變化較大，且順紋方向數(shù)值約為橫紋方向數(shù)值的兩倍，本實(shí)施例不考慮順紋方向，且隨構(gòu)件表面生成碳層其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小反應(yīng)了碳層對(duì)內(nèi)部的保護(hù)作用；比熱容隨木材性質(zhì)變化不大，但隨溫度變化明顯。木材密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容隨溫度變化規(guī)律取歐洲規(guī)范EN 1995.1.2中規(guī)定的隨溫度變化規(guī)律如下表1-1：

表1-1：

膠縫為苯酚間苯二酚甲醛樹(shù)脂固化物，由于相關(guān)此類環(huán)氧固化物的比熱容研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，故此處取類比材料塑料的相關(guān)取值，密度以及導(dǎo)熱系數(shù)采用相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，且假定膠縫固化物密度、熱工參數(shù)隨溫度變化可忽略。具體如下表1-2所示：

表1-2：

(2)初始條件及邊界條件參數(shù)設(shè)置：根據(jù)實(shí)際火災(zāi)下膠合木構(gòu)件受火歷程，設(shè)置初始溫度場(chǎng)、表面對(duì)流換熱系數(shù)、輻射系數(shù)及玻爾茲曼常數(shù)。本實(shí)施例中初始條件為環(huán)境溫度，設(shè)為25℃；三面受火花旗松膠合木梁溫度場(chǎng)求解邊界條件選取傳熱學(xué)對(duì)流傳熱邊界條件、輻射邊界條件以及界面連續(xù)條件。本發(fā)明的建模方式可自動(dòng)滿足界面連續(xù)條件，故設(shè)置以下參數(shù)以滿足其他邊界條件，具體取值如下表1-3:

表1-3：

在本實(shí)施例中，表中的受火面為花旗松木梁的底面以及兩側(cè)面，不受火面為花旗松木梁的頂面。

(3)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度曲線：本實(shí)施例中設(shè)定火災(zāi)為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫過(guò)程采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議的建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線(ISO 834),其計(jì)算式為：T＝T₀+345lg(8t+1)式中T₀為構(gòu)件的初始溫度即為環(huán)境溫度20℃；T為燃燒開(kāi)始后t分鐘時(shí)環(huán)境溫度。其變化如圖3所示。

第五步，對(duì)膠合木梁整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分越密計(jì)算精度越高相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，本實(shí)施例中劃分網(wǎng)格大小為5mm，膠縫作為結(jié)合部屬于重點(diǎn)分析對(duì)象，故在膠縫處細(xì)化厚度方向網(wǎng)格大小為0.5mm以提高計(jì)算精度。確定分析步數(shù)不超過(guò)100步，初始步長(zhǎng)1，最小步長(zhǎng)0.0001，最大步長(zhǎng)1.5及總分析時(shí)間30，最后創(chuàng)建并提交分析工作，獲得實(shí)際受火條件為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)三面受火情況下花旗松膠合木梁考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖4所示：圖中花旗松膠合木梁外邊緣線至等溫線L1之間溫度從840.8℃遞減至300℃為碳化層，等溫線L1至等溫線L2之間溫度從300℃遞減至27℃為加熱層，等溫線L2至花旗松膠合木梁中心為常溫層。

上述用于考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的分析方法，可應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例給出膠合木構(gòu)件為膠合木柱的情況，一種用于考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的分析方法，該方法包括建模、劃分網(wǎng)格、確定參數(shù)、模擬邊界條件以及仿真計(jì)算。具體實(shí)施步驟為，如圖1所示：

分析落葉松膠合木柱在實(shí)際受火條件為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)四面受火情況下的溫度場(chǎng)，柱尺寸為350mm(長(zhǎng))×350mm(寬)×800mm(高)，膠合木柱由7層膠合單元膠合而成，每層膠合單元厚度為50mm。落葉松密度為589kg/m³，含水率為16.3％。

第一步，根據(jù)落葉松膠合木柱實(shí)際受火條件為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下四面受火情況，故在ABAQUS前處理模塊Standard/Explicit Model中進(jìn)行三維實(shí)體建模，橫截面尺寸為350mm×350mm，高度為800mm，獲得膠合木柱整體三維模型，即獲得膠合木柱整體模型。

第二步，在第一步所得三維模型橫截面高度方向上等間距切割出6層0.8mm厚薄層作為膠縫單元模型，為均質(zhì)單元，并將膠合木柱整體模型裝配實(shí)體化。

第三步，采用考慮膠縫的膠合木構(gòu)件傳熱學(xué)熱傳導(dǎo)微分方程以及傳熱學(xué)邊界條件微分方程確定考慮膠縫熱導(dǎo)效應(yīng)的膠合木構(gòu)件的溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)為熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱及熱輻射產(chǎn)生的溫度場(chǎng)。

其中所述膠合木構(gòu)件的三維熱傳導(dǎo)微分方程：

木材：

膠縫：

式中T為溫度，t為時(shí)間微元，λ_xT、λ_yT、λ_zT分別為x、y、z方向上隨溫度變化的熱傳導(dǎo)系數(shù)，λ′為均質(zhì)膠縫的熱傳導(dǎo)系數(shù)，ρ_T為木材隨溫度變化的密度，ρ′為均質(zhì)膠縫的密度，C_T為木材隨溫度變化的比熱容，C′為均質(zhì)膠縫的比熱容，x、y、z分別為空間坐標(biāo)系中X、Y、Z軸方向的坐標(biāo)值，Q(t)為微元體熱解過(guò)程中的反應(yīng)熱函數(shù)。

已知對(duì)流傳熱系數(shù)及周圍流體溫度故符合傳熱學(xué)對(duì)流傳熱邊界條件：

式中n表示界面的法線方向，w表示邊界面，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，T_w表示構(gòu)件邊界上各點(diǎn)溫度，T_f為周圍流體溫度，對(duì)流傳熱邊界條件適用于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及周圍流體的溫度已知的情況。

熱輻射邊界條件微分方程：

式中ε表示構(gòu)件表面的輻射率，σ表示玻爾茲曼常數(shù)，w表示邊界面。n表示界面的法線方向，T_w表示構(gòu)件邊界上各點(diǎn)溫度，T_f為周圍流體溫度。

界面連續(xù)條件：

T_I＝T_II，式中式中Ⅰ、Ⅱ分別表示界面上的相鄰兩個(gè)接觸面，n表示界面的法線方向，如圖2所示，T_I、T_Ⅱ表示對(duì)應(yīng)面上的溫度。

第四步，根據(jù)第三步中確定的熱傳導(dǎo)微分方程和邊界條件微分方程設(shè)置落葉松膠合木柱模型中木材的熱物本構(gòu)參數(shù)(密度比、各向?qū)嵯禂?shù)、比熱容)和膠粘劑材料的熱物本構(gòu)參數(shù)(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容)、模型初始條件、邊界條件和火災(zāi)升溫曲線(ISO834)，進(jìn)行火災(zāi)下膠合木構(gòu)件受火仿真。

(1)模型材料的設(shè)置：木材密度與樹(shù)種、含水率等有關(guān)，火災(zāi)下木材發(fā)生熱解，木材密度明顯降低；木材導(dǎo)熱系數(shù)與樹(shù)種、含水率有關(guān)且隨溫度變化較大，且順紋方向數(shù)值約為橫紋方向數(shù)值的兩倍，且隨構(gòu)件表面生成碳層其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小反應(yīng)了碳層對(duì)內(nèi)部的保護(hù)作用；比熱容隨木材性質(zhì)變化不大，但隨溫度變化明顯。木材密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容隨溫度變化規(guī)律取歐洲規(guī)范EN 1995.1.2中規(guī)定的隨溫度變化規(guī)律如下表2-1：

表2-1：

膠縫為苯酚間苯二酚甲醛樹(shù)脂固化物，由于相關(guān)此類環(huán)氧固化物的比熱容研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，故此處取類比材料塑料的相關(guān)取值，密度以及導(dǎo)熱系數(shù)采用相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，且假定膠縫固化物密度、熱工參數(shù)隨溫度變化可忽略。具體如下表所示：

表2-2：

(2)初始條件及邊界條件參數(shù)設(shè)置：根據(jù)實(shí)際火災(zāi)下膠合木構(gòu)件受火歷程，設(shè)置初始溫度場(chǎng)、表面對(duì)流換熱系數(shù)、輻射系數(shù)及玻爾茲曼常數(shù)。本實(shí)施例中初始條件為環(huán)境溫度，設(shè)為25℃；四面受火落葉松膠合木柱溫度場(chǎng)求解邊界條件選取傳熱學(xué)對(duì)流傳熱邊界條件、輻射邊界條件以及界面連續(xù)條件。本發(fā)明的建模方式可自動(dòng)滿足界面連續(xù)條件，故設(shè)置以下參數(shù)以滿足其他邊界條件，具體取值如下表:

表2-3：

在本實(shí)施例中，表中的受火面為落葉松膠合木柱的四個(gè)側(cè)面，絕熱面為落葉松木柱的上下柱面。

(3)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度曲線：本實(shí)施例中設(shè)定火災(zāi)為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫過(guò)程采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議的建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線(ISO 834),其計(jì)算式為：T＝T₀+345lg(8t+1)式中T₀為構(gòu)件的初始溫度即為環(huán)境溫度20℃；T為燃燒開(kāi)始后t分鐘時(shí)環(huán)境溫度。其變化如附圖3所示。

第五步，對(duì)落葉松膠合木柱整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分越密計(jì)算精度越高相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，本實(shí)施例表面第一層膠合單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格大小為5mm，內(nèi)部各層膠合單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格大小10mm，膠縫作為結(jié)合部屬于重點(diǎn)分析對(duì)象，故在膠縫處細(xì)化厚度方向網(wǎng)格大小為0.4mm以提高計(jì)算精度。確定分析步數(shù)不超過(guò)1000步，初始步長(zhǎng)1，最小步長(zhǎng)0.0001，最大步長(zhǎng)1.5及總分析時(shí)間45，最后創(chuàng)建并提交分析工作，獲得實(shí)際受火條件為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)四面受火情況下落葉松膠合木柱考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖5所示：圖中落葉松膠合木柱外表面至等溫面S1之間溫度由822℃降低至300℃為碳化層，等溫面S1至等溫面S2之間溫度由300℃降低至20℃為加熱層，等溫面S2至落葉松膠合木柱中心為常溫層。

上述用于考慮膠縫導(dǎo)熱效應(yīng)的膠合木構(gòu)件受火溫度場(chǎng)的分析方法，應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)。