混凝土火灾高温中传热传质的数值模拟分析

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发布时间：2021-09-18

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混凝土火灾高温中传热传质的数值模拟分析
李荣涛
(大连大学辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，辽宁大连1 16622)
摘要：将混凝土模型化为非饱和变形多孔多相介质。基于控制干空气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒
和焓(能量)守恒的耦合偏微分方程组，建立了一个混凝土化学一热一湿一力全耦合数学模型，其中基本未知变量为固相位移、混合气体压
力、毛细压力、温度和基质溶解物质量。通过数值预测结果与试验测量结果的定量比较，显示出所发展的数学模型在重现高温条件下混凝
土中化学一热一湿一力耦合现象的能力。
关键词：传热传质；有限元法；混凝土；高温
中图分类号： TU528．O1 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2010)04—0010—04
Numerical simulation analysis of heat and mass transfer in concrete exposed to high temperature during the fire
LIRong-tao
f Key Laboratory for Prediction& Control on Complicated Structure System ofthe Education Department ofLiaoning Province
Dalian University，Dalian 1 16622，China)
Abstract： The concretes are modeled as unsaturated deforming reactive porous media in this paper．A coupled chemo—thermo-hygro—mechanical
model for、concrete exposed to high temperatures is presented．The mathematical model consists of a set of coupled，partial diferential equations
goveming the mass balance ofthe dry air，the mass balan ce ofthe water species，the mass balance ofthe matrix components dissolved in the liquid
phases．the enthalpy(energy)balance and momentum balance ofthe whole medium mixture．The solid displacements，gas pressure，capillary pres—
sure，temperature and the mass ofthe matrix components dissolved in the liquid phases are taken as primary unknowns ofthe mode1．Quantitative
comparison of experimental and simulated results shows the eapability of the proposed FE model in reproducing coupled chemo-·thermo--bygro—
m echanical phenomena in concretes at high temperatures．
Key words： heat and mass transfer；FEM ；concrete；hi曲temperature
0 引言
近年来，随着建筑结构性能(如强度和耐久性)要求的提
高，高性能混凝土(HPC，或称高强度混凝土HSC)正逐渐蓬勃
兴起并替代传统的混凝土(NSC)用于桥梁、隧道、高层建筑、海
洋石油平台和核工业设施等方面，因此对于高性能混凝土结构
安全性能的预测显得十分重要，而对火灾或其他高温危险环境
下高性能混凝土结构安全性的评估尤其值得重视。但是伴随强
度和耐久性的不断提高，由于高性能混凝土自身存在的低孔隙
率和低渗透性，在火灾高温这种极限环境下其结构更易于发生
危害更大甚至导致结构崩塌的爆裂破坏现象『l_2_。特别是91 1事
件后，对于其破坏的力学机理研究已成为当今的热点之一。
为了探索HPC相对NSC在高速率高温热荷载下材料行为
表现差异的机理，并进而解决HPC的防火性能问题，需要从试
验研究、理论分析和定量数值模拟三方面着手。但由于火灾情况
复杂，试验设备及经费耗资巨大，因此基于有限试验数据，建
立能定量描写混凝土，特别是HPC，在高温高速热载荷下发生
和发展的化学一热一湿一力学耦合过程和破坏现象的数学模型，
发展有效可靠的数值求解过程以数值模拟和再现混凝土，特别是
HPC的结构和构件在火灾下的实际状态，将为HPC结构减防火
灾设计提供科学依据和有力的工具。
1 数学模型
混凝土作为在细观上由固、液、气三相(非饱和混凝土)组
成的多孔多相介质具有非均匀的结构。而在宏观上一个基本和
重要的假定是多孔多相介质应模型化为均匀连续介质。在此模
型中假定每相均同时充满了饱和或非饱和混凝土的全域。即在
介质的每个点假定存在所有各相。因而可以在多孔多相介质中
应用连续介质力学理论框架对域内每个点建立存在相互耦合
作用的三相系统的模型。
本研究在已存在的混凝土热一水力一力学(THM)耦合数学模
型【基础上，发展了一个高温下混凝土化学一热一湿一力学(CTHM)
全耦合分级(非混溶一混溶两个级别)数学模型。混凝土模型化
为在其孔隙中填满两种非混溶孔隙流体(混合气体和混合液体)
的非饱和变形多孔多相介质。混凝土首先被模型化为一个含
固相、孔隙液体(带有溶解盐分)和孔隙混合气体(干空气和水
蒸汽)的三相介质一非饱和变形多孑L多相介质材料，主要特点
是假定三相间彼此不混溶。混凝土模型化中的次级模型是对非