火灾作用下钢管煤矸石混凝土柱温度场分析学习体会

文献概况

本文发表于2022年《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》第38卷第4期，由沈阳建筑大学土木工程学院李帼昌、李龙、李晓三人完成，受国家自然科学基金项目（51938009）资助。研究采用有限元方法建立了钢管煤矸石混凝土柱的热传递模型，分析了ISO 834标准升温曲线下温度场的分布规律，并与普通钢管混凝土柱进行了对比。煤矸石混凝土作为工业固废资源化利用的重要形式，其在钢管混凝土中的应用研究具有重要的环保和经济意义。

煤矸石混凝土的材料特性

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物，将其作为混凝土骨料替代天然砂石，既实现了固废资源化，又具有独特的热工性能。煤矸石颗粒内部含有大量微孔隙和有机质，在高温下会发生脱水、氧化和分解反应，这一过程会吸收大量热量，从而延缓混凝土内部温度的升高。

煤矸石混凝土与普通混凝土的热工参数对比

温度场分析的关键发现

文献通过有限元热传递模拟，揭示了以下重要规律：

1. 升温时间效应：随ISO 834标准火灾升温时间增加，钢管煤矸石混凝土柱截面温度显著升高，但升温速率逐渐减缓，这主要归因于混凝土内部温度梯度驱动的热传导趋于稳定。
2. 截面尺寸效应：截面尺寸减小导致截面温度升高，因为较小截面的体积与表面积之比降低，热量更容易传递至截面中心。
3. 含钢率效应：含钢率（即钢管截面面积与柱截面总面积之比）增大时，截面温度升高，因为钢管导热系数远高于混凝土，加速了热量向混凝土核心的传递。
4. 保护层厚度效应：保护层厚度（钢管外壁至柱外表面的距离，对于钢管混凝土柱即为钢管壁厚）减小时，截面温度明显升高。文献建议防火保护层厚度控制在15 mm左右。

与普通钢管混凝土柱的对比

文献最重要的发现之一是：钢管煤矸石混凝土柱的温度场分布形态与普通钢管混凝土柱类似，但截面温度明显更低。这一结论具有重要的工程意义：

• 抗火性能提升：煤矸石混凝土柱在相同火灾条件下具有更低的截面温度，意味着更高的耐火极限和更长的安全疏散时间。
• 材料劣化减缓：混凝土在500°C以上开始显著劣化，煤矸石混凝土柱温度更低意味着材料强度的保留率更高。
• 钢管约束效应维持：钢管在高温下强度下降，但煤矸石混凝土柱中钢管温度较低，约束效应维持时间更长。

从钢管制造和焊接的角度，钢管混凝土柱在火灾中的钢管行为是一个关键问题。钢管在高温下会发生强度下降、蠕变加速和可能的局部屈曲。对于煤矸石混凝土柱，由于钢管温度较低，这些不利效应得到一定程度的缓解。

工程实践中的防火设计建议

学习心得与总结

这篇文献将工业固废资源化与结构抗火性能研究有机结合，提出了具有创新性的技术路线。对于钢管制造行业而言，煤矸石混凝土柱的应用拓展了钢管在建筑领域的使用场景，同时也对钢管的壁厚精度和焊接质量提出了更高要求——因为钢管壁厚的均匀性直接决定了保护层厚度的可靠性。在实际工程中，建议将煤矸石混凝土柱的有限元温度场分析结果与足尺耐火试验数据进行对比验证，建立更加精确的材料热工参数数据库，为工程应用提供可靠的设计依据。煤矸石混凝土柱的推广使用，既是循环经济理念的体现，也是提升结构抗火安全性的有效途径。