火災(zāi)后鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻抗震性能分析

胡雪峰　韋芳芳　高　群

(1. 河海大學 土木與交通學院， 南京　210098; 2. 江蘇省建筑科學研究院有限公司， 南京　210008)

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火災(zāi)后鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻抗震性能分析

胡雪峰1韋芳芳1高群2

(1. 河海大學 土木與交通學院， 南京210098; 2. 江蘇省建筑科學研究院有限公司， 南京210008)

摘要：為明確鋼板剪力墻火災(zāi)作用后的抗震性能，利用經(jīng)試驗驗證的ANSYS有限元模型分析火災(zāi)后鋼板墻在低周反復荷載作用下的滯回性能．進一步分析受火方式和受火時間對火災(zāi)后鋼板剪力墻抗震性能的影響．研究結(jié)果表明：火災(zāi)后鋼板墻的滯回曲線形狀與常溫下相似呈梭形，都較為飽滿，但是滯回環(huán)面積明顯減少，屈服荷載和極限承載力大幅下降，其抗震性能明顯降低；通過本文的研究可為火災(zāi)后鋼板剪力墻的損傷評估和抗震加固提供參考．

關(guān)鍵詞：火災(zāi)后；鋼板剪力墻；滯回曲線；抗震性能

鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系．鋼板墻由內(nèi)嵌鋼板、水平邊緣構(gòu)件和豎向邊緣構(gòu)件組成，尤其適用于高烈度地震區(qū)建筑[1]．當鋼板自上而下連續(xù)布置時，即形成鋼板剪力墻體系．鋼板剪力墻整體的受力性能類似于底端固定的懸臂梁，其中豎向邊緣構(gòu)件相當于翼緣，內(nèi)嵌鋼板相當于梁腹板，水平邊緣構(gòu)件則可以近似等效為橫向加勁肋．已有的研究成果以及工程實例表明，鋼板剪力墻具有大變形能力、穩(wěn)定的滯回特性和良好的塑性性能等良好的表現(xiàn)．

目前，國內(nèi)外學者對各類鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的整體受力性能進行了試驗研究及理論分析．英國的Cardington[2]做了8層鋼框架結(jié)構(gòu)足尺模型火災(zāi)試驗，發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)相對單個構(gòu)件而言具有更高的極限溫度．沈會[3]對火災(zāi)后鋼框架抗震性能進行了有限元分析，基于有限元軟件ANSYS模擬分析火災(zāi)后鋼框架在低周反復荷載下的滯回性能．

從以往的研究結(jié)果可以看出，鋼板墻火災(zāi)后的抗震性能仍是研究的盲點，例如受火方式、受火時間等參數(shù)對這類結(jié)構(gòu)受力性能及結(jié)構(gòu)受力破壞特征等的影響．本文將通過有限元軟件ANSYS模擬分析火災(zāi)后的鋼板剪力墻在低周反復荷載作用下的抗震性能，期望得到鋼板剪力墻火災(zāi)后抗震性能的一般規(guī)律，并為這類結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計以及火災(zāi)后的損傷評估和抗震加固提供參考．

1有限元分析驗證

根據(jù)文獻[4]中的試驗情況建立有限元模型進行驗證．鋼板墻尺寸為90 mm×900 mm×5 mm，屬于厚板范疇(高厚比180<250)．框架柱的幾何尺寸為175 mm×200 mm×11 mm×7 mm、框架梁取100 mm×200 mm×8 mm×5.5 mm。內(nèi)填鋼板、框架梁、框架柱都采用實體單元Solid45，梁柱墻板焊接連成一個整體，邊界條件為：下端固結(jié)，上端滑動，左右兩邊為自由端[5]．常溫下，鋼板墻彈性模量取E=2.06×105MPa，屈服強度取fy=235 MPa，泊松比μ=0.3．為了消除應(yīng)力集中影響，將施加在柱頂?shù)妮S壓力200 kN等效為均布荷載10 MPa(軸壓比0.4)，同時在柱頂和梁端要施加荷載的地方添加墊塊．

有限元軟件模擬得到的滯回曲線如圖1所示，由圖可知，結(jié)構(gòu)在屈服前，荷載和位移之間幾乎呈直線變化，結(jié)構(gòu)的剛度值基本不變，表明結(jié)構(gòu)處于彈性階段，隨著荷載逐漸增加，結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，滯回環(huán)面積增大．滯回曲線形狀比較飽滿，說明結(jié)構(gòu)能較好地吸收地震能量．

圖1　有限元模擬滯回曲線

從表1可以看出，有限元模擬得到的極限承載力與試驗值相差在20%以內(nèi)，極限的位移相差都在20%以內(nèi)．說明模擬對試驗的驗證具有一定的說服力．但是極限荷載的模擬值要比試驗值大，原因主要有：1)有限元模型是理想化的模型．2)模擬時鋼材材料的本構(gòu)關(guān)系輸入都按照已有的理論值進行輸入，相比實際的鋼材材料還有一定的差別．所以在數(shù)值分析時，試件的剛度退化沒有試驗試件嚴重．

表1　有限元模擬和試驗結(jié)果比較

2有限元模擬分析

熱分析時采用Solid70單元，Solid70是具有3個方向的熱傳導能力的3-D實體熱單元，可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析．此單元進行后期的結(jié)構(gòu)分析時，必須用等效的結(jié)構(gòu)單元來代替．本文中即先采用Solid70單元進行熱分析，將其分析結(jié)果施加到結(jié)構(gòu)分析中，用Solid45單元計算．

采用ISO-834標準升溫曲線模擬升溫環(huán)境溫度，初始溫度為20℃，為了防止升溫時間過長導致溫度過高使得鋼結(jié)構(gòu)承載力失效，取升溫時間10 min，然后進行自然冷卻到常溫．結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)邊柱有著很明顯熱膨脹引起的側(cè)向變形．

圖2　受火時間10 min溫度分布云圖

左邊柱的側(cè)向位移隨時間的位移變化曲線如圖3所示，在升降溫過程中，左邊柱側(cè)向位移隨著火災(zāi)全過程不同階段變化不同，升溫時，鋼材的彈性模量降低，導致結(jié)構(gòu)的剛度下降而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力重分布和側(cè)向變形量增大；降溫段由于鋼材彈性模量的恢復，邊柱側(cè)向變形量減少并最終保持平緩趨勢．

圖3　邊柱柱頂、柱中側(cè)向位移曲線

圖4　控制位移加載制度

在結(jié)構(gòu)左端施加低周反復荷載，采用如圖4所示的加載制度．材料的高溫性能包括材料在高溫下和高溫(冷卻)后的性能．對經(jīng)歷600℃以下高溫后的結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度[5]：

基于經(jīng)歷800℃以下高溫后的結(jié)構(gòu)鋼屈服強度[6]：

3火災(zāi)后鋼板剪力墻抗震性能分析

3.1火災(zāi)前后滯回曲線分析

鋼板剪力墻火災(zāi)前后的滯回曲線如圖5所示．可以很明顯地看出火災(zāi)前后鋼板剪力墻的滯回曲線都較為飽滿，無明顯捏縮現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的耗能能力，但可看出火災(zāi)后鋼板剪力墻的極限承載力以及彈性剛度明顯下降，滯回環(huán)包含的面積明顯減少．這表明火災(zāi)后鋼板剪力墻耗能能力在降低，進一步得出火災(zāi)作用大大削弱了鋼板墻的抗震性能．

圖5　火災(zāi)前后滯回曲線對比

3.2火災(zāi)前后骨架曲線

火災(zāi)前后的骨架曲線如圖6所示．可以看出火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)更快的進入屈服階段，同時屈服荷載以及彈性剛度都有所降低，達到極限荷載后承載力迅速降低下去，沒有火災(zāi)前較長的延性滑移段．根據(jù)骨架曲線按照能量等效面積法近似確定荷載-位移曲線上的屈服荷載Py和對應(yīng)的屈服位移Δy．

圖6　火災(zāi)前后骨架曲線對比

延性比μD，定義為骨架曲線下降段85%峰值抗側(cè)力相應(yīng)側(cè)移量與屈服變形的比值[5]．

Kym反映了結(jié)構(gòu)從屈服荷載Py到最大荷載Pm歷程的快慢，Kym越小，說明結(jié)構(gòu)從屈服到最大荷載有約束的屈服段越長，延性越好，對抗震越有利[8]．

火災(zāi)前后對比見表2．經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)μD火災(zāi)前>μD火災(zāi)后，Kym火災(zāi)前

表2　火災(zāi)前后抗震性能參數(shù)對比

3.3不同受火方式下抗震性能分析

在單面和雙面兩種受火方式下，火災(zāi)對結(jié)構(gòu)造成的傷害是不同的．在受火時間同為10 min的情況下，墻體單面受火，墻板最高溫度為593℃;墻體雙面受火，墻板最高溫度為614℃．不同受火方式下火災(zāi)后的殘余應(yīng)力云圖如圖7～8所示，雙面受火柱子及墻體中間的殘余應(yīng)力比單面受火要大．雙面受火導致整個結(jié)構(gòu)有著更高的溫度，邊柱的溫度更高導致產(chǎn)生的熱膨脹變形要大于單面受火條件的變形，進而影響火災(zāi)后鋼板剪力墻的殘余應(yīng)力．

圖7　單面受火火災(zāi)后的　　　圖8　雙面受火火災(zāi)后的應(yīng)力分布云圖　　　　　　　　應(yīng)力分布云圖

不同受火方式下滯回曲線對比如圖9所示，可以看出，單雙面受火條件下滯回曲線形狀基本一致，雙面受火條件下的極限承載力有所減低，對應(yīng)的滯回環(huán)面積有所減少，抗震性能因而有所降低．

圖9　單面受火和雙面受火下的滯回曲線對比

3.4不同受火時間下抗震性能分析

從圖10可以看出，在經(jīng)歷不同受火時間后的骨架曲線變化規(guī)律基本相似，隨著受火時間的延長，溫度逐漸上升，材料的強度損失也是越來越大，鋼板剪力墻的水平極限承載力下降越來越多．不同受火時間下參數(shù)對比見表3，可以得出隨著受火時間越長，屈服荷載和屈服位移越小，極限承載力分別下降了11.1%、20.6%、25.3%，可見受火時間的延長降低了鋼板剪力墻抗震性能．

圖10　不同受火時間下骨架曲線對比

受火時間minPy/kNΔy/mmPm/kNΔm/mm05903.7675.6266.855452.7600.2154104852.48536.4184154552.1504.993.7

4結(jié)論

1)雖然火災(zāi)后鋼板剪力墻的滯回曲線比較飽滿，無明顯的捏縮現(xiàn)象．但是由于火災(zāi)對鋼材造成較大的強度損傷，以及火災(zāi)后殘余應(yīng)力的存在，屈服荷載、極限承載力、破壞位移都有大幅度下降，延性也有所降低，火災(zāi)作用嚴重降低了鋼板剪力墻的抗震性能．

2)雙面受火條件比單面受火條件有著更加復雜的溫度場分布，冷卻后有著更大的殘余變形和殘余應(yīng)力，雙面受火下的極限承載力比單面受火更低，火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)抗震性能更差．

3)受火時間越長，冷卻后造成的強度損傷也是越大，屈服荷載和極限荷載下降的越多，火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)抗震性能也越差．因此在實際火災(zāi)中應(yīng)盡快滅火以減少受火時間，保證火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的剩余承載力，減少火災(zāi)后維修加固成本．

參考文獻：

[1]郭彥林，董全利．鋼板剪力墻的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2005，20(1)：1-6．

[2]Wang Y C． Steel and Composite Structures： Behavior and Design for Fire Safety[M]． London： Spon Press， 2002．

[3]瞿麗華，韋芳芳．水平荷載作用下鋼框架內(nèi)嵌薄鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗火性能分析[C]．江蘇省鋼結(jié)構(gòu)會議論文集，2012．

[4]陳國棟，郭彥林，范珍，等．鋼板剪力墻低周反復荷載試驗研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，25(2)：19-29．

[5]趙金城．高溫下鋼材力學性能的試驗研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2000，30(4)：26-28．

[6]曹文銜．損傷積累條件下鋼框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的分析研究[D]．上海：同濟大學，1998．

[責任編輯周文凱]

Seismic Behavior Analysis of Steel Plate Shear Wall within Steel Frame after Fire

Hu Xuefeng1Wei Fangfang1Gao Qun2

(1.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098，China; 2. Jiangsu Research Institute of Building Science Co., Ltd., Nanjing 210008，China))

AbstractSteel plate shear wall is a new anti-lateral force structure. In order to study the seismic behavior of steel plate shear wall after fire， the finite element model based on ANSYS that is proved through experiment is used to study the hysteretic behavior of steel plate shear wall under low cyclic loading after fire. And then it is further analyzed of two-faces under fire and different durations under fire affecting on the seismic behavior of the steel plate shear wall. The results show that the hysteretic curves of the steel plate shear wall are in plump shapes， which is similar at normal temperature， but the area of hysteretic curves decrease a lot; the yield load and ultimate load carrying capacity are remarkably reduced， which indicate that seismic behavior of the steel plate shear wall has been reduced severely with the effect of fire. The study results can provide some references of damage assessment and seismic behavior for the steel plate shear wall after fire.

Keywordsafter fire;steel plate shear wall;hysteretic curve;seismic behavior

基金項目：教育部博士點基金(20100094110002)；國家自然科學基金資助項目(51009054)

收稿日期：2015-09-04

中圖分類號：TU398

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0030-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.006

通信作者：胡雪峰(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為結(jié)構(gòu)工程．E-mail：nanganlong@qq.com