超高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)防火性能的優(yōu)化

薛 濤 徐 凱

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，低層建筑和中層建筑已經(jīng)無法滿足人們的住房需求。超高層建筑的所占比例逐漸升高，建筑領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)體系也隨之發(fā)生改變。為了減輕上部結(jié)構(gòu)對下部結(jié)構(gòu)的荷載，在建筑選材時(shí)要求選用新型輕質(zhì)高強(qiáng)材料。為了滿足超高層建筑抗震性能和防火體系的要求，本文將采用一種含裝配式全包鋼組合構(gòu)件的框架——核心筒結(jié)構(gòu)體系，也可稱為外包鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)體系，其核心部分采用外包鋼箱混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

2 外包鋼箱混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)

外包鋼箱混凝土剪力墻由內(nèi)部現(xiàn)澆混凝土與其外側(cè)包裹的鋼箱組成，內(nèi)置的混凝土與外側(cè)鋼箱之間通過焊接加勁肋板連接?；炷量梢灾瓮鈧?cè)鋼板，降低鋼板的局部屈曲應(yīng)力。鋼箱可以使結(jié)構(gòu)承受更高載荷，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載力，改善混凝土的力學(xué)性能，增強(qiáng)其延展性和抗剪切承載力，限制它的橫向膨脹。此外，鋼箱由于體積較大，還能使混凝土最大程度與外界環(huán)境隔離，阻止了外界環(huán)境與混凝土的接觸，減少了混凝土出現(xiàn)開裂和受損的風(fēng)險(xiǎn)，提高了其耐久性，符合可持續(xù)發(fā)展理念。使用外包鋼箱覆蓋混凝土還可以增加其觀賞性。相較于以往的超高層剪力墻結(jié)構(gòu)，使用外包鋼箱混凝土?xí)陨栽黾映杀?，不過換來的卻是性能的大幅度提高?？梢杂糜谳^為重要的超高層建筑中，減小出現(xiàn)墻體損壞、火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)。

3 外包鋼箱混凝土的性能

對比傳統(tǒng)超高層建筑剪力墻使用的高強(qiáng)度鋼筋混凝土性能，高強(qiáng)度鋼筋為HRB400。對高強(qiáng)度鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼箱混凝土進(jìn)行有限元模型分析，當(dāng)墻體高度為3.9米時(shí)，鋼箱混凝土含鋼量為5.6%，軸壓比為0.6[1]。鋼箱混凝土由于其特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，剪力墻的水平承載力和軸向承載力要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)同一水平的剛強(qiáng)度混凝土剪力墻。由于鋼的延展性極其優(yōu)越，含鋼量高的鋼箱混凝土剪力墻的延展性也強(qiáng)于高強(qiáng)度混凝土剪力墻，在出現(xiàn)地震，爆炸等特殊情況時(shí)其抗震性能優(yōu)，可以減少很多風(fēng)險(xiǎn)。

4 超高層建筑的消防問題

與普通建筑相比，超高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樓層也相對較多，這就在無形中增加了災(zāi)害的發(fā)生率。并且在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，哪怕?lián)碛休^為完善的消防體系，由于電梯的無法使用和逃生路線的難以抉擇，處在高層的人員也很難撤離。就傳統(tǒng)超高層建筑的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，超高層建筑的內(nèi)部底板與外層幕墻等結(jié)構(gòu)之間留有較大的閑置空間，而該空間周圍沒有設(shè)置任何的消防材料。一旦建筑內(nèi)部產(chǎn)生火災(zāi)，沒有任何保護(hù)措施的外層結(jié)構(gòu)將無法實(shí)現(xiàn)防火。墻體的內(nèi)部產(chǎn)生火源不僅危害極大，在消防人員趕到時(shí)也難以消滅火源。超高層建筑一般處于城市中心人群密集區(qū)域，且為城市重要建筑或代表建筑，一旦失火導(dǎo)致主體蔓延，將造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，燃燒產(chǎn)生的氣體還會(huì)污染環(huán)境，造成惡劣的社會(huì)影響。

4.1 外包鋼箱混凝土的防火隱患

使用外包鋼箱混凝土剪力墻的超高層建筑，因其含鋼量高，常采用鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)。鋼箱混凝土作為裝配式全包鋼組合構(gòu)件的框架——核心筒結(jié)構(gòu)體系的核心部分，用其為原材料做出的剪力墻承載力高且延展性強(qiáng)。但與此同時(shí)若在發(fā)生火災(zāi)的情況下溫度急劇提高，高溫的環(huán)境中鋼材的彈性模量與屈服強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高顯著下降。外包鋼箱混凝土的構(gòu)件和鋼構(gòu)件在火災(zāi)的高溫下會(huì)短時(shí)間內(nèi)達(dá)到屈曲極限，并且迅速地失效導(dǎo)致建筑倒塌。因此外包鋼箱混凝土剪力墻的耐火性能需要提高，并采取更有效的防火措施。

4.2 防火方案的選取

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范：GB 50016-2014》，本工程屬于一類公共建筑[2]。常見的鋼箱混凝土組合構(gòu)件或鋼構(gòu)件的防火做法有防火涂料、外包防火層、耐火鋼、疏導(dǎo)法四種。

防火涂料分為薄涂型和厚涂型兩種。薄涂型防火涂料在出現(xiàn)火災(zāi)情況時(shí)，會(huì)在高溫下產(chǎn)生膨脹作用且膨脹速度極快，形成一種致密的泡沫炭質(zhì)層。這種泡沫炭質(zhì)層的隔熱抗熱效果極好，能有效隔絕火源熱源。并且與厚涂型防火涂料相比，由于厚涂型防火涂料需要涂多層，施工過程中容易產(chǎn)生偏差造成不同地方的厚度不一致，或是涂抹過程中產(chǎn)生氣孔等情況。厚度不一致會(huì)影響剪力墻的美觀，氣孔難以避免且在發(fā)生火災(zāi)時(shí)有出現(xiàn)爆炸的危害。而薄涂型防火涂料外形美觀，裝飾效果極佳，存在的風(fēng)險(xiǎn)也相對較低，因此在工程中可以大量使用。

外包防火層是使用防火砂漿層或外包混凝土等擁有較大內(nèi)部空間且不易燃燒的材料來保護(hù)內(nèi)部構(gòu)件。這些外包材料可以在火災(zāi)發(fā)生時(shí)讓內(nèi)部構(gòu)件遠(yuǎn)離火源與熱源，使內(nèi)部構(gòu)件達(dá)不到著火點(diǎn)，提高材料的耐火極限。

耐火鋼材是一種成本較高的防火材料，由于技術(shù)限制使用耐火鋼材是當(dāng)下新型的防火方式。耐火鋼材通過在鋼材中加入Mo、Cr、Nb 等稀有元素，提高了鋼材的強(qiáng)度和耐火極限，用這種方式制備成的新型耐火鋼材相較于傳統(tǒng)的鋼材擁有更高的抗彎、抗折能力，且防火性能有極大的提高。這種耐高溫的鋼材可以在600 攝氏度的高溫環(huán)境下仍保持常溫時(shí)屈服強(qiáng)度的2/3。采用新型耐火鋼材可以減少防火涂層的厚度和用量，甚至在某些情況下可以不使用防火涂層，提高了結(jié)構(gòu)的美觀性和潛在風(fēng)險(xiǎn)，且大大減少了消防工程的成本。

疏導(dǎo)法是一種有人為參與的物理方法，在鋼材升溫的過程中，通過一定的技術(shù)手段將熱量傳遞走，從而使構(gòu)件的溫度達(dá)不到著火點(diǎn)，保證在安全的溫度范圍內(nèi)。這是成功率最高的一種防火方案，在實(shí)驗(yàn)過程中幾乎沒有出現(xiàn)過失火的情況，但這種方法技術(shù)難度較高，成本相較于其他幾種方法也高出數(shù)倍，因此在工程中應(yīng)用較少。

當(dāng)前最常見的防火方法是在構(gòu)件表面噴涂防火涂料或架設(shè)防火板，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，在工程中擁有廣泛的應(yīng)用。噴涂防火涂料和架設(shè)防火擁有兩個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)，即安全性強(qiáng)和美觀性好。但是噴涂防火涂料或架設(shè)防火板相較于使用防火砂漿層和外包混凝土成本較高，并且工人需要熟練的工藝技術(shù)，因此施工速度會(huì)比較慢。并且考慮到超高層建筑還需要顧及裝修、物業(yè)等問題，因此本文將在外包鋼箱混凝土表面噴涂強(qiáng)度為M7.5，厚度70mm 的普通砂漿。為了施工過程的簡便和降低成本，將采用掛網(wǎng)批蕩的方式進(jìn)行施工。為了防止在火災(zāi)的高溫情況下砂漿保護(hù)層在遇熱時(shí)間過長后產(chǎn)生明顯的開裂，可以采用在砂漿內(nèi)部架設(shè)兩層鋼筋網(wǎng)的方法阻止開裂，并且內(nèi)部設(shè)置兩層鋼筋網(wǎng)還可以提高砂漿的強(qiáng)度，在承重方面可以承受更多的荷載。

砂漿防火層作為近年來國內(nèi)熱門防火方式，這項(xiàng)技術(shù)已得到極為廣泛的應(yīng)用與實(shí)踐。在涂抹砂漿防火層之前首先需要對被保護(hù)表面進(jìn)行除銹處理，以保證砂漿防火層和內(nèi)置混凝土緊密接觸。并且還可以減少銹蝕物與混凝土中的部分物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)而使強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)。除銹后焊接固定錨栓，采用掛網(wǎng)批蕩的方式分別披掛底層和面層的鋼筋網(wǎng)，接著通過綁扎的方式進(jìn)行固定，最后分層噴涂砂漿。

普通砂漿的熱工參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)為1.0，質(zhì)量熱容為840，密度為1780kg/cm3。

5 火災(zāi)下外包鋼箱混凝土剪力墻的表現(xiàn)

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，外界熱源主要通過熱輻射和熱對流來向構(gòu)件表面?zhèn)鬟f熱量，而構(gòu)件內(nèi)部主要通過發(fā)生熱傳導(dǎo)來吸收構(gòu)件表面的熱量。假設(shè)在火災(zāi)的高溫情況下，構(gòu)件被包裹在高溫的環(huán)境中，此時(shí)砂漿保護(hù)層包裹保護(hù)著鋼箱，鋼箱包裹保護(hù)內(nèi)部的混凝土。如果這三個(gè)部分之間的傳熱條件皆正常，參考ECCS 數(shù)值，熱輻射系數(shù)為0.5。在受火時(shí)間的積累過程中，首先鋼箱混凝土外部溫度緩慢提高，外部砂漿保護(hù)層有效隔絕了火源熱源，極大地拉長了被包裹在內(nèi)部的混凝土接觸到熱量的時(shí)間。當(dāng)受火兩小時(shí)后，包裹內(nèi)部混凝土剪力墻的鋼箱或鋼板開始升溫，由于鋼材的導(dǎo)熱性能良好，鋼材升高的溫度主要集中在邊緣的四個(gè)角和中心的隔板。當(dāng)受火200 分鐘后，鋼材將溫度傳遞到包裹的混凝土上，混凝土的傳熱性能較差，貼近外包鋼箱或鋼板的混凝土溫度較高，但當(dāng)遠(yuǎn)離外部鋼板一定距離后，溫度明顯下降并且穩(wěn)定在了安全范圍內(nèi)。因此，火災(zāi)下外包鋼箱混凝土剪力墻的表現(xiàn)要遠(yuǎn)超傳統(tǒng)混凝土剪力墻。

6 結(jié)語

本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)立足于在造價(jià)不變或者略有提高的情況下，研究生產(chǎn)出一種新型的防火性能更強(qiáng)的防火材料，在現(xiàn)有防火材料和剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性質(zhì)的改良，在混凝土外包裹鋼箱或者鋼板，在鋼箱或鋼板外噴涂防火砂漿層涂料。在材料和結(jié)構(gòu)兩方面皆有創(chuàng)新，提高建筑的性價(jià)比。此外，盡可能提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以讓其在質(zhì)量變輕的情況下承受更高的荷載。項(xiàng)目會(huì)根據(jù)超高層建筑的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種更安全更經(jīng)濟(jì)的剪力墻模型，盡量讓建筑造價(jià)成本不高于相同層數(shù)面積的普通建筑造價(jià)情況下，對剪力墻結(jié)構(gòu)和建筑材料進(jìn)行優(yōu)化，通過提高超高層建筑的穩(wěn)定性以及防火性能來提升建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性，讓超高層建筑穩(wěn)定性更高，盡可能降低火災(zāi)事故的發(fā)生率，減少社會(huì)損失，保障人員和財(cái)產(chǎn)的安全。