高溫下不同受火面對開洞剪力墻溫度場的影響

王中強，周錚

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114）

0 引言

在我國經濟飛速發展和商業需求不斷擴增的背景下，高層與超高層結構應用愈加廣泛，常用于高層結構中的剪力墻以及筒體結構也與實際工程的聯系越來越緊密。 而在實際建筑工程中，因設計功能的改變和房屋裝修的需要，常常會碰到對剪力墻開洞的情況。剪力墻作為剪力墻結構、框架-剪力墻結構以及核心筒結構中的主要抗側力構件，對其開設洞口，不僅會削弱剪力墻自身抗側移能力，而且會影響原有結構性能。

目前，全國各地的火災發生頻率越來越高，且隨著建筑物高度的增加，火災造成的危害也更加嚴重。 火災不僅會嚴重損害人們的生命財產，而且會對建筑結構造成不同程度的損傷，因此，對火災后的結構使用評估尤為重要。 現階段人們對于常溫下的剪力墻力學性能進行了大量的實驗及研究，但對剪力墻受火以及受火后力學性能的損傷研究較少。

本文以某實際結構中一片一字型開洞剪力墻為研究對象，采用Abaqus 有限元分析軟件， 在溫度場理論分析的基礎上建立了開洞剪力墻模型， 并分別考慮了單面受火和雙面受火的情況，通過數值計算對比受火面對開洞剪力墻溫度場的影響。 分析結果可為進一步進行高溫下剪力墻力學性能分析與火災后修復加固提供參考。

1 溫度場分析理論基礎

1.1 計算假設

本文在對受熱混凝土剪力墻溫度場進行分析時，采取如下假設：

（1） 混凝土各個方向均質、同性，且內部不產生熱量；

（2） 忽略混凝土內部水的遷移、蒸發以及質量密度改變的影響；

（3） 不考慮熱能與機械能之間的轉化耦合，即忽略材料應力、應變的機械作用轉化涉及的小部分熱量；

（4） 熱傳遞時忽略鋼筋影響。

1.2 高溫下材料相關熱工參數

（1） 質量密度

隨著溫度的升高，混凝土內部水分會因蒸發減少，導致混凝土質量密度有微弱減少。 本文對質量密度的變化采取文獻[1]所用公式：

為簡化計算，本文取為常數Pc(T)=2300 (kg/m3)

（2） 比熱容

單位質量的混凝土在溫度降低或者升高1℃所放出或吸收的熱量即為混凝土的比熱容。本文對混凝土的比熱容采用文獻[2]所用公式：

（3） 熱傳導率

熱傳導率又被稱為導熱系數，是指材料單位體積下，在單位時間和單位溫度差異下傳導的能量。本文對混凝土的導熱系數采用文獻[3]所述表達式：

（4） 熱膨脹系數

隨著溫度的改變，物質體積會發生膨脹和收縮現象。 因此在研究混凝土受熱時，本文對混凝土的熱膨脹系數采用文獻[4]所用公式：

1.3 邊界條件

分析剪力墻受火這個物理過程時， 除了溫度控制方程外，還需要給定初始條件和邊界條件。 因此，本文給定初始時刻的溫度分布為：

本文在溫度場計算中，初始環境溫度取20℃。 受火邊界條件主要分為以下三類[5]：

（1） 第一類定解條件：已知構件表面的溫度與時間的關系函數

（2） 第二類定解條件：已知受火面的表面熱流密度大小

（3） 第三類定解條件：已知熱輻射和受火面邊界對流條件

本剪力墻結構模型構件的受火面采用第三類定解條件，與受火面接觸的環境溫度變化情況取ISO-834 標準升溫曲線；背火面的初始溫度不隨時間改變，因此取為第一類邊界條件，大小值取常溫（即20℃）?；炷帘砻婧痛髿獾臒峤粨Q系數大小主要取決于空氣流動的快慢，系數數值在20～80（W/m℃）區間內。對于本文采用的混凝土剪力墻模型，要分別考慮單雙面受火。 由于空氣流動速度快，受火面取 h=25（W/m℃），背火面取 h=15（W/m℃）[6]。 而對于熱輻射傳遞，剪力墻模型受火側的熱輻射系數取0.8，背火側取0.1。

1.4 標準升溫曲線

ISO-834 標準升溫曲線是在大量建筑火災的基礎上分析得到的，對火災模擬和火災試驗有重要的參考意義，其表達公式如下：

其中，T 為隨受火時間變化的溫度；T0為環境溫度；t 為受火時間。 在Abqus 中根據標準升溫曲線建立的振幅曲線如圖1 所示。

圖1 根據標準升溫曲線建立的振幅曲線

2 有限元模型建立及結果分析

2.1 模型建立

本文建立的一字型剪力墻模型取自某高層結構中， 剪力墻的高度為 3000mm， 墻肢的厚度為 200mm， 剪力墻肢長為500mm，且設有1000mm 寬的門洞，連梁高度為 400mm，混凝土等級采用C30。受火方式分別考慮單側和雙側受火， 受火面采用國際標準升溫曲線進行升溫， 背火面采用標準環境溫度20℃。 具體有限元模型詳見圖2。

圖2 剪力墻模型正面圖

模型建立時， 傳熱單元選用混凝土 DC3D8 八節點六面體[7]。 進行有限元分析時，劃分模型網格越精確， 分析結果越接近實際。 但是網格劃分越密，計算效率越低，因此，本文在綜合考慮精密度、計算效率等因素后， 選取10mm 的網格尺寸進行有限元分析，網格劃分見圖3。

圖3 剪力墻模型網格劃分圖

2.2 溫度場結果分析

2.2.1 雙面受火溫度場分析

雙側受火60min 后，剪力墻連梁跨中截面溫度分布云圖如圖4 所示，受火120min 后的連梁截面溫度分布云圖如圖5 所示。 為了進一步分析截面節點高度對溫度的影響，本文以連梁跨中截面節點為對象，分析溫度分布情況，其溫度與時間變化的關系曲線如圖6 所示。

圖4 60min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

圖5 120min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

圖6 剪力墻連梁處截面節點溫度變化圖

雙面受火的剪力墻墻肢跨中截面在60min 時的截面溫度分布云圖如圖7 所示，120min 時的截面溫度分布云圖如圖8 所示。

圖7 60min 時剪力墻豎向截面溫度分布云圖

圖8 120min 時剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

2.2.2 單面受火溫度場分析

單側受火60min 后，剪力墻連梁跨中截面的溫度分布云圖如圖9 所示，受火120min 時的截面溫度分布云圖如圖10 所示。 連梁跨中截面節點高度對溫度的影響與雙面受火情況基本相同，因此不再重復。

圖9 60min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

圖10 120min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

單面受火的剪力墻肢跨中截面在60min 時的截面溫度分布云圖如圖11 所示，120min 時的截面溫度場如圖12 所示。

圖11 60min 時剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

圖12 120min時剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

2.2.3 單面受火與雙面受火對比分析

相同的熱工條件下對有限元模型升溫120min 后， 單側受火情況下，剪力墻肢內部溫度差異較大，且受火面與背火面熱度差異較為明顯；雙側受火情況下，剪力墻肢內部溫度差異比較小，節點與受火面的距離大小與節點溫度間關系密切。 對比兩種受火方式的剪力墻肢中心測點溫度，發現單面受火下的溫度為144℃，雙面受火下的溫度為165℃，雙面受火溫度高于單面受火11℃。而在連梁處，雙面受火下連梁跨中截面的中心測點溫度相比于單面受火情況下，要高出24℃左右?？梢娫陔p面受火的情況下，剪力墻肢和連梁中心區域溫度比單面受火更高，且兩種受火情況下連梁跨中截面溫度比剪力墻肢跨中截面溫度差異更大。

3 結論

本文給定了溫度場的計算假設，考慮了熱傳遞的三種基本方式， 應用有限元分析軟件Abaqus 對開洞剪力墻進行了溫度場模擬分析，并對單面受火和雙面受火兩種情況進行對比，根據溫度場分布情況，得出結論如下：

（1） 剪力墻在火災作用下，墻肢內各個節點升溫曲線略微滯后于標準升溫曲線，但總體變化趨勢與升溫曲線接近。 墻肢內節點與受火面垂直距離相同時，溫度基本相同。 但離受火面越近，溫度梯度的差異越大。

（2） 其余條件相同，在受火時間分別取 60min 和 120min 的情況下，發現受火時間的增加，會使得墻肢截面溫度梯度減小，說明受火條件對截面溫度分布影響很大。

（3） 其余條件相同，取不同受火面的情況下，發現雙面受火的剪力墻中心溫度比單面受火的溫度要高，且連梁跨中截面處的溫度差異比墻肢中間的溫度差異更大。