一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法技术

本发明专利技术公开了一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法，本方法将覆板复合保护方钢柱断面内的各个保护层断面简化为阶梯状断面，对各阶梯状断面进行有限差分网格划分，建立有限差分显式或隐式分析模型；采用有限差分分析显式或隐式模型计算阶梯状断面各厚度处的温度；导出各时刻的各钢柱矩形断面与对应第n层保护层矩形断面交界处的最大温度，即得到四面受火下覆板复合保护方钢柱的方钢柱与复合保护交界处各时刻温度，本方法能够解决目前计算受火下方钢管柱温度需要繁琐建立虚拟仿真模型问题。虚拟仿真模型问题。虚拟仿真模型问题。

【技术实现步骤摘要】
一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法


[0001]本专利技术涉及受火下钢构件温度计算方法领域，具体涉及一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法。

技术介绍

[0002]钢柱是钢结构中重要构件，钢柱的破坏容易引起结构连续性倒塌，覆板复合保护是钢柱的常见防火保护。覆板复合保护为防火板(如石膏板、波特板等)与防火卷材(如岩棉、硅酸铝棉等)相互组合而成的防火保护，具有装饰性能好、无需养护、耐久性好、及施工过程环保无异味等优点。
[0003]当前计算覆板复合保护钢柱温度的方式一般为通过仿真模拟软件建立模型进行传热计算，此类方法缺点为需要专业人员进行建模且需要考虑复杂的热边界条件，同时计算耗时较长。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法，其能够解决目前计算受火下方钢管柱温度需要繁琐建立虚拟仿真模型问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法，
[0007]所述覆板复合保护方钢柱断面由内向外包括方钢柱断面和复合保护断面，所述复合保护断面包括若干层保护层断面，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤1：设覆板复合保护方钢柱断面的四个外角分别与对应的内角连线，将覆板复合保护方钢柱断面划分为四个梯形断面，每个梯形断面由外到内分别划分为第a层保护层梯形断面、第b层保护层梯形断面直至第n层保护层梯形断面以及方钢柱梯形断面；
[0009]步骤2：对所述梯形断面按断面面积相等的原则，沿厚度方向分别居中简化为第a层保护层矩形断面、第b层保护层矩形断面直至第n层保护层矩形断面以及方钢柱矩形断面，经过简化的各梯形断面均简化为阶梯状断面；
[0010]步骤3：对于阶梯状断面，其热量增量来源于对应的受火边界且除受火边界外各边界均简化为热绝缘边界，同时简化其热传导仅沿厚度方向传导；
[0011]步骤4：对各阶梯状断面进行有限差分网格划分，建立有限差分显式或隐式分析模型；
[0012]步骤5：采用有限差分分析显式或隐式模型计算阶梯状断面各厚度处的温度；
[0013]步骤6：导出各时刻的各钢柱矩形断面与对应第n层保护层矩形断面交界处的最大温度，即得到四面受火下覆板复合保护方钢柱的方钢柱与复合保护交界处各时刻温度。
[0014]优选地，步骤4中所述的对阶梯状断面进行有限差分网格划分，建立有限差分显式或隐式分析模型；其具体包括以下步骤：
[0015]步骤4.1：阶梯状断面沿厚度方向均匀划分网格，形成若干单元，受火侧及柱腔侧边界单元的宽度为Δx/2,其余单元的宽度为Δx,每个单元的温度与相应节点温度一致，整个有限差分网格覆盖整个断面；
[0016]步骤4.2：当步骤4采用显式分析模型时，构建j时刻模型一维显式有限差分方程；
[0017]模型第a层保护层矩形断面受火侧边界单元节点：
[0018][0019]模型某层保护层第x层保护层矩形断面内部单元节点：
[0020][0021]模型某层保护层第x层保护层矩形断面与第x+1层保护层矩形断面边界单元节点：
[0022][0023]模型第n层保护层矩形断面与方钢柱矩形断面边界单元节点：
[0024][0025]模型方钢柱矩形断面内部单元节点：
[0026][0027]模型方钢柱矩形断面的柱腔侧边界单元节点：
[0028][0029]步骤4.3：当步骤4采用隐式分析模型时，构建j时刻模型一维隐式有限差分方程；
[0030]模型第a层保护层矩形断面受火侧边界单元节点：
[0031][0032]模型某层保护层第x层保护层矩形断面内部单元节点：
[0033][0034]模型某层保护层第x层保护层矩形断面与第x+1层保护层矩形断面边界单元节点：
[0035][0036]模型第n层保护层矩形断面与方钢柱矩形断面边界单元节点：
[0037][0038]模型方钢柱矩形断面内部单元节点：
[0039][0040]模型方钢柱矩形断面的柱腔侧边界单元节点：
[0041][0042]其中，T
i,j
，T
g,j
分别表示i节点及模型受火侧在j时刻的开尔文温度；k
xi,j
，c
xi,j
，ρ
xi,j
分别表示第x层保护层矩形断面在i节点j时刻导热系数，比热容及密度；c
xi,(x+1)i,j
，ρ
xi,(x+1)i,j
分别表示第x层保护层矩形断面与第x+1层保护层矩形断面的边界单元节点i在j时刻比热容及密度；c
ni,si,j
，ρ
ni,si,j
分别表示第n层保护层矩形断面与方钢柱断面矩形断面的边界单元节点i在j时刻比热容及密度；k
si,j
，c
si,j
，ρ
si,j
分别表示方钢柱矩形断面在i节点j时刻导热系数，比热容及密度；Δt为时间步长；ε
r
为固体表面辐射率；σ
r
为斯蒂芬
‑
波尔茨曼常数；h表示j时刻模型受火侧表面对流换热系数；D
x
，D
s
分别表示第x层保护层矩形断面及钢柱矩形断面边长。
[0043]优选地，步骤5中所述的采用有限差分分析隐式或显式模型计算阶梯状断面各厚度处的温度；其具体实现包括以下步骤：
[0044]步骤5.1：输入计算所需数据包括：受火侧各时刻温度、阶梯状断面各厚度位置的初始温度、各保护层的导热系数以及比热容和密度、钢柱的导热系数以及比热容和密度、总时长、时间步长、固体表面辐射率、斯蒂芬
‑
波尔茨曼常数、受火侧表面对流换热系数、各保护层矩形断面及钢柱矩形断面边长；
[0045]步骤5.2：当步骤4采用显式分析模型时，采用有限差分分析显式模型计算阶梯状断面各厚度处的温度：
[0046]步骤5.2.1：在第1时刻依次计算沿厚度方向从受火侧至柱腔侧各单元节点温度，得出第1时刻各单元节点温度；
[0047]步骤5.2.2：由上一时刻计算结果，再依次计算沿厚度方向从受火侧至柱腔侧各单元节点温度，得出下一时刻各单元节点温度，直至计算到总时长；
[0048]步骤5.3：当步骤4采用隐式分析模型时，采用有限差分分析隐式模型计算阶梯状
断面各厚度处的温度：
[0049]步骤5.3.1：在第1时刻联立有限差分隐式模型中所有单元节点方程，计算得出第1时刻所有单元节点温度；
[0050]步骤5.3.2：由上一时刻计算结果，再联立下一时刻有限差分隐式模型中所有单元节点方程，计算得出下一时刻所有单元节点温度，直至计算到总时长。
[0051]优选地，步骤5.3中有限差分分析隐式模型计算单元节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法，所述覆板复合保护方钢柱断面由内向外包括方钢柱断面和复合保护断面，所述复合保护断面包括若干层保护层断面，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设覆板复合保护方钢柱断面的四个外角分别与对应的内角连线，将覆板复合保护方钢柱断面划分为四个梯形断面，每个梯形断面由外到内分别划分为第a层保护层梯形断面、第b层保护层梯形断面直至第n层保护层梯形断面以及方钢柱梯形断面；步骤2：对所述梯形断面按断面面积相等的原则，沿厚度方向分别居中简化为第a层保护层矩形断面、第b层保护层矩形断面直至第n层保护层矩形断面以及方钢柱矩形断面，经过简化的各梯形断面均简化为阶梯状断面；步骤3：对于阶梯状断面，其热量增量来源于对应的受火边界且除受火边界外各边界均简化为热绝缘边界，同时简化其热传导仅沿厚度方向传导；步骤4：对各阶梯状断面进行有限差分网格划分，建立有限差分显式或隐式分析模型；步骤5：采用有限差分分析显式或隐式模型计算阶梯状断面各厚度处的温度；步骤6：导出各时刻的各钢柱矩形断面与对应第n层保护层矩形断面交界处的最大温度，即得到四面受火下覆板复合保护方钢柱的方钢柱与复合保护交界处各时刻温度。2.如权利要求1所述的一种计算四面受火下覆板复合保护方钢柱温度的方法，其特征在于：步骤4中所述的对阶梯状断面进行有限差分网格划分，建立有限差分显式或隐式分析模型；其具体包括以下步骤：步骤4.1：阶梯状断面沿厚度方向均匀划分网格，形成若干单元，受火侧及柱腔侧边界单元的宽度为Δx/2，其余单元的宽度为Δx，每个单元的温度与相应节点温度一致，整个有限差分网格覆盖整个断面；步骤4.2：当步骤4采用显式分析模型时，构建j时刻模型一维显式有限差分方程；模型第a层保护层矩形断面受火侧边界单元节点：模型某层保护层第x层保护层矩形断面内部单元节点：模型某层保护层第x层保护层矩形断面与第x+1层保护层矩形断面边界单元节点：模型第n层保护层矩形断面与方钢柱矩形断面边界单元节点：模型方钢柱矩形断面内部单元节点：
模型方钢柱矩形断面的柱腔侧边界单元节点：步骤4.3：当步骤4采用隐式分析模型时，构建j时刻模型一维隐式有限差分方程；模型第a层保护层矩形断面受火侧边界单元节点：模型某层保护层第x层保护层矩形断面内部单元节点：模型某层保护层第x层保护层矩形断面与第x+1层保护层矩形断面边界单元节点：模型第n层保护层矩形断面与方钢柱矩形断面边界单元节点：模型方钢柱矩形断面内部单元节点：模型方钢柱矩形断面内部单元节点：模型方钢柱矩形断面的柱腔侧边界单元节点：其中，T
i,j
，T
g,j
分别表示i节点及模型受火侧在j时刻的开尔文温度；k
xi,j
，c
xi,j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞，陈伟，尹亮，倪雅，叶继红，康壮苏，姜健，刘晴，叶薇，
申请(专利权)人：江苏中矿大正表面工程技术有限公司应急管理部天津消防研究所徐州德怀科技有限公司，
类型：发明
国别省市：