火災作用下雙鋼板混凝土組合剪力墻的穩定性分析

何盛鑫

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著建筑用地的緊張，城市中高層建筑不斷涌現，其中以雙鋼板混凝土組合剪力墻結構[1-3]為代表的建筑逐漸增多。雙鋼板混凝土組合剪力墻作為鋼混組合構件，其基本結構形式為在外包鋼板內部填充混凝土，通過對拉螺栓、栓釘或綴板保證兩者之間連接可靠?；炷僚c外包鋼板相互約束，防止鋼板屈曲失穩的同時也提高內填混凝土變形能力，使其在地震作用下能表現出良好的延性和耗能能力。值得注意的是，十年來高層建筑火災呈逐年上升趨勢，僅2021 年就發生了高層住宅火災3438起，亡155人[4]。高層建筑因為自身高度較高，救援難度較大，安全風險變大。雙鋼板混凝土組合剪力墻作為高層建筑中的主要抗側力構件，在使用過程中還要承受和傳遞一定的豎向荷載。所以組合剪力墻在軸向荷載和火災高溫共同作用下的抗火性能及其在火災中的安全性對于高層建筑至關重要。

組合剪力墻中混凝土部分在火的作用下不會發生燃燒，但在高溫作用下會產生裂紋，導致結構因強度喪失而發生破壞。而對拉螺栓作為連接外包鋼板，內置于混凝土中的重要連接件，可以加強鋼板對混凝土的約束作用，提高混凝土的承壓能力。而一旦發生火災，對拉螺栓的變形總是導致鋼與混凝土界面處的相對剝離，從而可能影響復合結構的結構剛度和承載能力。同時對拉螺栓的用量會影響截面含鋼率，間接影響構件截面溫度分布。近年來國內外已有不少學者開展了相關研究，但已有的研究只關注其常溫下的受力性能，鮮有其高溫下受力性能的研究報道。因此，有必要探究對拉螺栓參數的改變對雙鋼板混凝土組合剪力墻構件耐火極限的影響，對組合剪力墻的穩定性進行模擬分析，進而提出優化方案。

1 有限元模型的建立

1.1 研究方法

ABAQUS作為目前國際上主流的大型有限元分析軟件，擁有十分強大的非線性力學分析能力和求解功能，除了能模擬力作用下的結構響應外，還能夠進行熱傳導分析、熱力耦合分析、聲學分析以及滲流-應力耦合分析等。ABAQUS擁有多種不同材料模型，包括不同材料本構關系以及失效準則，可以較精確地模擬工程結構中所遇到的大多數材料的力學性能。

本文通過ABAQUS軟件的順序熱力耦合模塊建立雙鋼板混凝土組合剪力墻的熱學和力學分析模型（見圖1所示）。本文所涉及的數值模擬皆在ABAQUS/Standard中進行，先進行高溫作用下模型的溫度場分布計算并同步建立力學分析模型，再將溫度場計算結果文件導入力學分析模型中，間接實現熱力耦合，具體步驟如下：

圖1 模型示意圖

（1）借助第三方處理軟件CAD建立模型各部件。在CAD中對各部件進行實體建模并生成SAT文件，SAT文件導入ABAQUS中得到各部件模型。采用SAT文件原始的坐標信息，將各部件進行組合得到試件整體模型。

（2）分別對溫度場模型和力學模型完成前處理，對模型進行網格劃分并通過查閱文獻設置材料熱工參數、本構關系、界面接觸類型、分析步、邊界條件等。對試件進行網格劃分時，力學模型和溫度場分析模型采用不同的網格類型，分析步設置時溫度場模型為“Heat Transfer”而力學模型為“Static，General”。

（3）對于失穩破壞的試件需單獨計算其屈曲模態并導入力學分析模型中。

（4）將溫度場分析模型計算得到的ODB文件作為預定義場導入力學模型中，并對力學模型施加軸力，完成間接熱力耦合。

學生可以登錄網絡教學平臺開展任務型自主學習。教師根據教學進度布置學生知識點的學習任務。在教學平臺采用“公開”“定時發放”“闖關模式”發放課程，推送學生的學習任務。

（5）分析計算。得到模型應力、應變、位移、溫度、內力等信息，在“Visualization”模塊中可以比較直觀地進行分析。

1.2 模型設計參數

模型設計參數見表1所示。

表1 模型設計參數（單位：mm）

1.3 接觸設置

雙鋼板混凝土組合剪力墻溫度場分析模型中包涵五種接觸界面：栓釘與鋼板接觸界面、栓釘與混凝土接觸界面、混凝土與外包鋼板接觸界面、對拉螺栓與混凝土接觸界面以及加載梁與鋼板剪力墻的接觸界面。依據試驗情況，不同部件之間的接觸采用不同的方法模擬。

1.3.1 溫度場分析模型

試件在真實的火災和軸力共同作用下，鋼板發生較為明顯的局部屈曲，在混凝土與鋼板之間形成空隙，從而形成接觸熱阻。接觸熱阻的存在使鋼板的溫度模擬結果偏高，內部混凝土的溫度模擬結果偏低。但順序熱力耦合模型在進行溫度場分析時無法考慮結構變形對溫度分布的影響。為了更準確地模擬試件的升溫過程，本文參考部分學者[5-7]提出的接觸熱阻取值建議，將鋼板與混凝土之間采用“contact”接觸，同時通過試算后將鋼板與混凝土接觸界面熱阻值設置為0.01m2℃/w。鋼板與栓釘之間采用“Tie”接觸，即假設兩種材料的公共節點溫度一致，不考慮熱量在界面處傳遞的損耗。除此之外，對拉螺栓與混凝土之間同樣采用“Tie”接觸，因為混凝土對螺栓的包裹較好，粘結緊密，可以忽略界面熱阻對熱量傳遞的影響。

栓釘與混凝土之間采用“Embedded”接觸，即將栓釘內置于混凝土中。因為在實際試驗過程中對加載梁進行了隔熱措施，故不考慮加載梁對模型溫度場分布的影響，將加載梁與試件之間的接觸熱阻設置為無窮大。

1.3.2 力學分析模型

栓釘與鋼板采用“Tie”接觸，同時“Embedded”于混凝土中。上下加載梁與剪力墻采用“Tie”接觸，同時上加載梁的頂面與下加載梁的底面分別與參考點RP-1和RP-2進行耦合。

1.4 網格劃分

溫度場分析模型和力學分析模型采用相同的網格劃分方式，以保證兩個模型的各節點和單元號能夠完全對應，這是實現順序熱力耦合的重要前提。本文綜合考慮了模擬精度和計算效率，將混凝土單元和鋼板-螺桿單元都以20mm進行網格劃分，且均采用結構化網格劃分技術（Structured），見圖2所示。栓釘單元自身尺寸較小但數量很多，以1mm 對其進行網格劃分，采用掃掠劃分技術（Sweep）。溫度場分析模型中的所有實體單元采用DC3D8 類型，力學分析模型中的所有實體單元采用C3D8R類型。

圖2 網格劃分

1.5 邊界條件

1.5.1 溫度場分析模型

在之前的試驗中，加熱爐按ISO-834標準火災曲線升溫，且試件四周均勻受熱。通過設置ABAQUS軟件中的“Surface film condition”和“Surface radiation”條件，可以模擬這一升溫過程。本文中將空氣的熱對流參數設置為25W/（m2·℃），受火面綜合輻射系數設置為0.5。

1.5.2 力學分析模型

在ABAQUS軟件中，每一個參考點包含6個自由度，即Ux、Uy、Uz、URx、URy、URz，U表示平動，UR表示轉動。因為將參考點RP-1和RP-2分別與上加載梁的頂面與下加載梁的底面進行了耦合，在設置邊界條件時，限制RP-1除Uz所有自由度以及RP-2所有自由度，以符合實際加載情況。限制參考點自由度的同時，在RP-1上設置集中荷載，荷載值根據試件軸壓比確定。

2 參數分析

2.1 耐火極限判定準則

雙鋼板混凝土組合剪力墻屬于軸向承重構件，其耐火極限的判別標準由《建筑構件耐火試驗方法》（GB/T 9978.1-2008）確定，分為三種情況：承載能力喪失、完整性喪失以及隔熱性喪失。因為本次試驗為試件整體受火，所以本文選取承載力指標作為判定雙鋼板混凝土組合剪力墻達到耐火極限的依據。承載能力喪失的計算公式如下：

極限軸向壓縮變形量：

極限軸向壓縮變形速率：

式中：

C——極限軸向壓縮變形量，mm;

h——試件初始高度，mm；

t——達到耐火極限的時間，min。

2.2 分析結果

根據計算結果，研究雙鋼板混凝土組合剪力墻構件在對拉螺栓間距設置為90mm和160mm時在達到耐火極限時的鋼板位移。當螺桿間距為160mm時，鋼板最大側向位移為10mm，屈曲部位主要集中于鋼板中部且屈曲面積較大。而當螺桿間距縮小為90mm時，鋼板最大側向位移為5.97mm，屈曲部位同樣集中于鋼板中部，但屈曲面積有所減小。由此可知，對拉螺栓對鋼板形成了有效的約束，鋼板屈曲部位受對拉螺栓布置的影響呈波浪式分布，波谷位置為對拉螺栓點位。所以，減小對拉螺栓間距可以增強外包鋼板之間的側向約束，減少鋼板局部屈曲的發生，并且使屈曲導致的鋼板最大側向位移值減小。

由圖3可知，對拉螺栓間距的改變對構件耐火極限并無明顯影響。當螺桿間距較小時，會造成構件內部平均溫度升高，加速混凝土材料性能的劣化，同時減少內部混凝土的體積，對混凝土承壓性能產生一定的負面影響。但同時，螺桿間距的減小較為有效地抑制了外鋼板的屈曲，間接提高了鋼板對混凝土的約束作用，改善了混凝土的承壓性能。所以，對拉螺栓間距的改變并未對雙鋼板混凝土組合剪力墻構件的耐火極限造成明顯影響。

圖3 不同螺栓間距模型耐火極限

3 結束語

本文通過合理設置有限元模型的鋼材和混凝土材料的熱工參數和高溫下的力學本構模型，較為精確地模擬出雙鋼板混凝土組合剪力墻構件在高溫和軸力共同作用下的耐火極限。分析認為，減小對拉螺栓間距可以有效抑制外包鋼板的屈曲，提高鋼板對內部混凝土的約束效應。在本文設置的參數范圍內，雙鋼板混凝土組合剪力墻構件的耐火極限受對拉螺栓間距影響較小。