防屈曲鋼板剪力墻在火災條件下的溫度場分析

仇浩宇，王中強

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114）

0 引言

鋼板剪力墻作為一種抗側力構件，具有良好的延性、耗能能力等，從20世紀70年代開始便逐漸被應用到實際工程中，但鋼板剪力墻也存在容易發生平面外屈曲等不足，為此一些學者經過長期的研究提出了防屈曲鋼板剪力墻[1]。防屈曲鋼板剪力墻（簡稱BRW）是一種新型的抗側力約束耗能構件，由內側鋼板與兩側的預制混凝土蓋板通過穿透三塊板的螺栓連接而成。其中，內側鋼板作為核心抗側力構件承受水平荷載，兩側的預制混凝土蓋板作為防屈曲約束構件起到面外約束的作用，整體結構中只有內側鋼板與框架梁和框架柱直接相連，外側預制混凝土蓋板則與框架梁和框架柱留有一定的間隙。防屈曲鋼板剪力墻具有滯回曲線飽滿、側向力作用下不易屈曲、對框架柱無附加彎矩作用等優點，近年來逐漸被應用于實際工程中，具有廣闊的應用前景。

在我國經濟、科技不斷發展的背景下，越來越多的建筑開始向高層化方向發展。剪力墻構件以其良好的抗震性能被廣泛應用于高層建筑中，是高層建筑中主要的抗側力構件。近年來，因各種因素導致的建筑火災頻發。建筑火災危害極大，不僅會威脅到人們的生命財產安全，還會對建筑結構產生巨大的破壞。研究表明，當受火溫度達到650℃以上時，鋼材基本喪失全部強度，失去承載能力而不能繼續使用，而混凝土強度也會在超過600℃后急劇下降，因此對剪力墻構件開展在火災條件下的性能研究具有重要現實意義。目前，人們對防屈曲鋼板剪力墻在常溫下的力學性能和抗震能力進行了大量的研究，但對其在高溫中及高溫后的性能研究較少。

本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立防屈曲鋼板剪力墻模型，結合傳熱分析的基本理論對其在火災條件下的溫度場進行了分析，其中考慮了防屈曲鋼板剪力墻在單面受火與雙面受火中所產生的溫度場差異情況。分析可為后續研究防屈曲鋼板剪力墻在火災中及火災后的力學性能提供參考。

1 溫度場分析概述

1.1 傳熱基本理論

傳熱學是一門研究熱量傳遞規律的學科，提出凡是有溫差存在的地方，就會有熱量自發地從高溫物體傳遞至低溫物體，這種現象廣泛存在于在自然界和各種生產領域中。傳熱的基本方式有三種，分別是熱對流、熱傳導和熱輻射。其中，因為熱輻射是以對外輻射電磁能量的形式傳熱，所以熱量的傳遞不需要介質，即使在真空中也可以完成熱量傳遞，而熱對流和熱傳導則需要介質來實現熱量傳遞的過程。熱傳導、熱對流、熱輻射三者往往同時存在于實際的傳熱過程中，比如在火災條件下，熱空氣會通過熱對流和熱輻射的方式向構件表面傳遞熱量，而熱量又通過熱傳導的方式在構件內部進行傳遞。

通過傳熱分析可以得到構件在模擬火災條件下的溫度場，由溫度場可以清楚了解構件內部各點溫度分布的情況，以此分析構件在模擬火災條件下內部熱量的傳遞情況。傳熱分析根據構件節點的溫度是否隨時間變化而變化可分為穩態傳熱分析和瞬態傳熱分析，相應的溫度場也可分為穩態溫度場和瞬態溫度場。

1.2 溫度場分析的基本假設

在對有限元模型進行溫度場分析的過程中，考慮到影響溫度場的因素眾多，因此本文在分析的過程中提出了如下假設，以此簡化分析過程：

（1）結構中混凝土、鋼材均為各向同性材料，其材料熱工參數均不隨方向改變而改變；

（2）不考慮板內鋼筋的作用；

（3）分析過程中忽略混凝土蓋板與鋼板之間的微小縫隙；

（4）構件在受火時不考慮內部熱源的產生；

（5）分析時忽略應力應變對溫度場的影響。

2 有限元模型建立與分析方法

2.1 模型簡介

本文采用ABAQUS軟件進行分析，建立的防屈曲鋼板剪力墻有限元模型如圖1所示，模型由內側鋼板、預制混凝土蓋板、連接螺栓和框架梁柱組成。內側鋼板平面尺寸選為6000×3300mm，厚度為30mm，其與周邊框架梁柱直接連接。外側預制混凝土蓋板平面尺寸選為5800×3100mm，厚度為100mm，其在鋼板兩側均有布置;混凝土蓋板與周邊框架梁柱之間的間隙值取100mm，滿足罕遇地震下最大層間位移角限值1.5倍的要求。連接螺栓選為直徑30mm，長度230mm，螺栓按5排8列的方式排列，其穿過內側鋼板和兩側混凝土蓋板。框架梁柱均為H型鋼，尺寸均為H750×450×30×35mm。

圖1 防屈曲鋼板墻模型圖

在防屈曲鋼板剪力墻模型中，內側鋼板和框架梁柱之間通過ABAQUS里的Tie約束功能綁定在一起。同理，框架梁與框架柱相接的梁柱節點、螺栓與鋼板間的接觸面以及螺栓與混凝土蓋板間的接觸面也通過Tie約束進行綁定。在內側鋼板和混凝土蓋板間的接觸面上設置面對面接觸相互作用，其中法向設置為“硬”接觸，切向設置為庫侖摩擦模型，并設置熱傳導。

在溫度場分析中，單元類型的選擇與網格的布置會對最后的運算結果產生影響。為了保證運算過程的精確性，在模型中選擇了DC3D8八結點線性傳熱六面體單元作為熱傳遞單元進行分析。在網格劃分中，連接螺栓取20mm近似全局尺寸進行網格劃分，其余構件取150mm近似全局尺寸進行網格劃分，最終網格劃分見圖2。

圖2 有限元模型網格劃分圖

2.2 材料參數的確定

研究表明，在高溫環境下，鋼材與混凝土的各項性能參數會隨著溫度升高而發生變化，所以在進行溫度場分析時，必須考慮材料性能參數隨溫度變化而發生的改變。

2.2.1 鋼材相關參數

本文中所有鋼材均選用Q235鋼，高溫下鋼材的密度ρs取定值7850kg/m3，泊松比ν取定值0.3。鋼材在高溫下的導熱系數λ(W/m℃)和比熱容C（J/kg℃）參考歐洲規范[2]給出的公式取值：

2.2.2 混凝土相關參數

本文中預制混凝土蓋板選用的混凝土強度等級為C45，混凝土高溫下的密度ρc參考相關文獻[4]中提出的數值取定值2400 kg/m3，泊松比ν取定值0.2。混凝土在高溫下的導熱系數λ（W/m℃）和比熱容C（J/kg℃）參考歐洲規范[5]給出的公式取值：

混凝土的熱膨脹系數α參考T.T.Lie[6]給出的公式取值：

2.3 模擬火災條件下的基本過程

建筑火災發生時，由于內部環境狀況的不同，往往導致火災發展的速度趨勢不同。本文在分析過程中采用標準ISO-834升溫曲線模擬火災條件下的溫度狀況，曲線公式如下：

式中：T為時刻t時的溫度，℃；T0為環境初始溫度，℃；t為構件受火的時長，min。防屈曲鋼板剪力墻模型受火前，假設其整體溫度等于環境初始溫度，并取T0為20℃。為重點分析防屈曲鋼板剪力墻在火災條件下內部的傳熱模式和溫度場分布情況，在分析時限定墻面板區域為受火面，即框架梁柱除了墻板方向內側區域外其余區域不直接受火，并考慮了墻面板區域單面受火和雙面受火時對模型整體溫度場的影響，受火方式圖見圖3。

圖3 受火方式圖

3 溫度場結果分析

3.1 中截面溫度云紋圖分析

在溫度場分析時，對防屈曲鋼板剪力墻有限元模型分別按照單面受火和雙面受火的方式加熱100min后得到模型整體溫度云圖，分別取整體模型沿X軸方向、Y軸方向和Z軸方向中截面切開后的溫度云紋圖進行分析，溫度云紋圖分別見圖4、圖5和圖6。

圖4 X軸方向中截面溫度云紋圖

圖5 Y軸方向中截面溫度云紋圖

圖6 Z軸方向中截面溫度云紋圖

觀察X軸方向溫度云紋圖，在模型單面受火100min后，受火面混凝土板最外側溫度達到1000℃左右，當向內側鋼板方向移動時溫度逐漸下降。靠近鋼板中部位置溫度下降80%以上，而越靠近鋼板上下兩端，溫度下降的趨勢越弱。另一側混凝土板溫度基本接近室溫，而與鋼板相連接的框架梁處溫度也出現從受火面向不受火面逐漸遞減的趨勢。相對于單面受火，雙面受火的溫度場呈現出包裹的趨勢，此時混凝土板和鋼板內部各處溫度相較于單面受火時均有上升，與鋼板相接處的框架梁位置溫度也有上升。觀察Y軸方向溫度云紋圖，受火面混凝土板表面溫度基本達到1000℃左右，但螺栓位置處表面溫度相對要低一些，而與鋼板兩側相連接的框架柱連接處溫度也呈現逐漸遞減的趨勢。觀察Z軸方向溫度云紋圖，在鋼板不被混凝土板覆蓋的區域，即混凝土板與框架梁柱間留設間隙處溫度非常高，其溫度場呈現出向周邊逐漸遞減的趨勢。雙面受火時，明顯觀察到螺栓位置溫度高于周邊區域。

3.2 Z軸方向點的溫度時間變化圖分析

為了進一步分析防屈曲鋼板剪力墻模型內部溫度場的分布情況，取內側鋼板中部位置點為原點，沿Z軸取A、B、C、D、E、F、G共7個點建立不同厚度位置處的溫度隨時間變化圖，其中A、B、C、D、E、F、G的距中距離分別為+115mm、+65mm、+15mm、0mm、-15mm、-65mm、-115mm，如圖7和圖8所示。

圖7 測點位置圖

圖8 點的溫度時間變化圖

從圖中可以發現單面受火時，靠近受火面處點的溫度時間變化曲線近似于標準升溫曲線，而遠離受火面處點的曲線上升幅度不大。雙面受火時，兩側點的溫度時間變化曲線呈現出對稱分布趨勢，越靠近中部位置曲線的上升幅度越小，但相較于單面受火時，曲線的上升幅度都有提高。

4 結論

通過采用ABAQUS對防屈曲鋼板剪力墻進行火災條件下的溫度場分析，同時分別考慮了單面受火和雙面受火時對溫度場分析結果的影響，得出了以下結論：

（1）在對防屈曲鋼板剪力墻模型按照標準ISO-834曲線模擬火災條件下的升溫變化時，受火面側混凝土板整體溫度上升較快，越靠近內側鋼板的位置溫度上升的速度越慢。在單面受火中，受火面混凝土板整體溫度上升的速度遠大于內側鋼板和背火面混凝土板。在雙面受火中，兩側混凝土板整體溫度上升的速度同樣遠大于內側鋼板；

（2）在單面受火和雙面受火中，內側鋼板整體溫度上升的趨勢都較為平緩，但不同位置處溫度上升的速度并不一樣。從Z軸方向看，內側鋼板周邊無混凝土板覆蓋的區域溫度上升的速度很快，越靠近鋼板中心的區域溫度上升的趨勢越平緩。在混凝土板側，連接螺栓的溫度低于附近混凝土板區域的溫度，溫度場呈現出圓形中心輻射的特征；

（3）雙面受火時，內側鋼板同一部位溫度上升的趨勢高于單面受火，說明不同的受火方式會影響防屈曲鋼板剪力墻內部的溫度場分布。