工業(yè)建筑鋼筋混凝土剪力墻高溫條件下力學(xué)性能研究

杜晶

（四川省化工設(shè)計(jì)院，成都 610015）

1 引言

工業(yè)建筑鋼筋混凝土剪力墻是一種常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)，不僅能承受水平荷載[1]，還能承受相應(yīng)的豎向荷載。混凝土剪力墻具有良好的抗震穩(wěn)定性、隔熱性、隔音性，因此，被廣泛應(yīng)用于高層樓房及工業(yè)廠(chǎng)房等不同類(lèi)型的建筑結(jié)構(gòu)中[2]。混凝土墻體由水平鋼筋和豎向鋼筋交叉連接組成，形成剛性框架，抵抗外部作用力。研究表明，在高溫環(huán)境下，鋼筋混凝土剪力墻的性能會(huì)發(fā)生一定的改變[3]，首先，高溫會(huì)促使混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土干燥、龜裂，降低混凝土的強(qiáng)度[4]；其次，高溫會(huì)引發(fā)混凝土碳化反應(yīng)，降低其耐久性；最后，高溫會(huì)降低混凝土剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土的抗剪性不足，為了制訂合理的混凝土剪力墻高溫處理方案，需要對(duì)其高溫力學(xué)性能進(jìn)行研究。

相關(guān)研究人員采用了多種實(shí)驗(yàn)法研究剪力墻的力學(xué)性能[5]，并對(duì)其應(yīng)力破壞模式進(jìn)行了深入分析，部分研究人員還針對(duì)高溫條件下鋼筋混凝土剪力墻的材料性能進(jìn)行了研究，分析了材料的熱工性能、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等，探討了高溫對(duì)材料性能的影響及其作用機(jī)制。這些研究成果為改進(jìn)材料的熱工性能和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供了指導(dǎo)。

數(shù)值模擬是一種計(jì)算機(jī)模擬法，可以建立數(shù)值模型，模擬剪力墻在高溫條件下的力學(xué)性能，并對(duì)其在不同溫度下的變形、應(yīng)力和破壞模式等進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。因此，本文結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)研究了工業(yè)建筑鋼筋混凝土剪力墻高溫條件下的力學(xué)性能，為推動(dòng)工業(yè)建筑發(fā)展提供更加全面的數(shù)據(jù)支持。

2 建立仿真模型

結(jié)合工業(yè)建筑鋼筋混凝土剪力墻的實(shí)際特點(diǎn)，首先建立了16 組剪力墻組合模型（編號(hào)為ACR01～ACR16），組合模型的軸壓比為0.2，屬于雙鋼板開(kāi)洞剪力墻，層高為5 400 mm，剪力墻截面尺寸為4 000 mm×300 mm，洞口尺寸為2 200 mm×800 mm。根據(jù)混凝土剪力墻力學(xué)性能研究要求，采用厚度為10 mm 的Q235 鋼板輔助C30 混凝土進(jìn)行固定，模型尺寸如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土剪力墻仿真模型尺寸（單位：mm）

由圖1 可知，該模型的上下端自由，邊界條件相對(duì)固定，在力學(xué)性能分析的過(guò)程中，可以根據(jù)模型表面的耦合關(guān)系向內(nèi)側(cè)設(shè)置豎向參考點(diǎn)，將原本的雙向高溫條件轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚋邷貤l件。

待上述步驟完畢后，再按照國(guó)際制（ISO）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升溫處理，完成墻體的水平加載。

3 高溫條件下鋼筋混凝土剪力墻力學(xué)性能分析

3.1 高溫時(shí)刻下混凝土剪力墻的力學(xué)性能變化

將仿真模型的邊界條件全部固定，忽略頂部加載梁，此時(shí)可以設(shè)置參考點(diǎn)，模擬火災(zāi)環(huán)境。隨著混凝土剪力墻在高溫環(huán)境下時(shí)間的增加，混凝土剪力墻發(fā)生的形變量越來(lái)越大，此時(shí)凝土剪力墻模型的時(shí)間-撓度變化見(jiàn)表1。

表1 混凝土剪力墻時(shí)間-撓度變化表

由表1 可知，混凝土剪力墻在高溫環(huán)境下的時(shí)間越長(zhǎng)，其撓度越低，剪力墻會(huì)逐漸偏離原始位置，難以正常承受荷載。

除此之外，當(dāng)承受高溫的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，混凝土剪力墻會(huì)發(fā)生褶皺，導(dǎo)致局部彎曲變形，最大形變量為0.084 mm。

3.2 不同受火位置下混凝土剪力墻力學(xué)性能變化

根據(jù)力學(xué)性能分析要求，在混凝土剪力墻的頂部、側(cè)邊布置4 個(gè)不同的受溫點(diǎn)，布設(shè)點(diǎn)距離受溫面的距離分別為X1=0 mm，X2=100 mm，X3=200 mm，X4=300 mm，此時(shí)的側(cè)面撓度-時(shí)間表如下表2 所示。

由表2 可知，隨著時(shí)間增加，著溫面發(fā)生了大幅度的撓度變化，且受火面的整體撓度持續(xù)下降，混凝土剪力墻的強(qiáng)度逐漸降低，受火后期，剪力墻逐漸達(dá)到耐火極限，發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形。根據(jù)上述的側(cè)面撓度-時(shí)間表可知，剪力墻撓度變化率不隨溫度場(chǎng)變化而變化，即沿著溫度場(chǎng)方向的撓度相同。靠近洞口位置的軸向位移低于原理洞口的軸向位移。隨著受火面溫度增加，剪力墻的強(qiáng)度和剛度持續(xù)下降，正負(fù)撓度隨之發(fā)生變化。

3.3 高溫條件下混凝土剪力墻軸壓比力學(xué)性能

選取規(guī)格一致，編號(hào)不同的試件進(jìn)行軸壓比力學(xué)性能分析，此時(shí)，高溫及常溫條件下，不同軸壓比下的鋼材屈服強(qiáng)度性能見(jiàn)表3。

表3 高溫及常溫條件下不同軸壓比下的鋼材屈服強(qiáng)度性能

由表3 可知，在高溫與常溫環(huán)境下，隨著混凝土剪力墻試件軸壓比不斷增加，鋼材屈服強(qiáng)度均逐漸增加，達(dá)到臨界點(diǎn)后又逐漸下降，高溫條件下鋼材的屈服強(qiáng)度變化閾值更高，證明高溫對(duì)混凝土剪力墻力學(xué)性能有明顯影響。

綜上所述，高溫對(duì)鋼筋混凝土剪力墻的力學(xué)性能有顯著影響，隨高溫時(shí)間的增加，混凝土剪力墻的撓度逐漸減小，強(qiáng)度隨之下降；不同受溫點(diǎn)的屈服距離變化位移不同，但彎曲程度均隨時(shí)間增加而增加；當(dāng)混凝土剪力墻軸壓比增加時(shí)，其屈服力變化明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)建筑中存在大量的易燃易爆物品，如化工原料、油料、可燃?xì)怏w等，這些物品在高溫條件下容易引發(fā)火災(zāi)。一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼筋混凝土剪力墻作為工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其力學(xué)性能的變化將直接影響整個(gè)建筑的安全性和穩(wěn)定性。因此，研究高溫條件下鋼筋混凝土剪力墻的力學(xué)性能對(duì)于保障工業(yè)建筑在火災(zāi)中的安全具有重要意義。本文根據(jù)鋼筋混凝土剪力墻的溫度分布狀態(tài)，進(jìn)行了耦合分析，結(jié)合數(shù)值模擬法研究了混凝土剪力墻高溫條件下的力學(xué)性能，旨在為我國(guó)的建筑行業(yè)和消防安全領(lǐng)域的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。