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      鋼箱混凝土剪力墻砂漿防火隔熱層性能分析

      2020-07-18 07:14:28吳泉霖劉金松
      廣東土木與建筑 2020年7期
      關(guān)鍵詞:鋼箱保護(hù)層鋼材

      吳泉霖,何 軍,劉金松

      (廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010)

      關(guān)鍵字:耐火極限;隔熱層;鋼箱混凝土剪力墻;高溫;火災(zāi)行為

      0 前言

      在日常生活中,火源、燃燒物無(wú)處不在,火災(zāi)發(fā)生幾率很高。超高層建筑為人員密集場(chǎng)所,若發(fā)生火災(zāi)會(huì)嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響,造成嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。

      超高層建筑常采用鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu),其中抗側(cè)力關(guān)鍵構(gòu)件一般為塔樓中部的核心筒,而鋼箱混凝土剪力墻承載力高,延性?xún)?yōu)異,在超高層結(jié)構(gòu)核心筒中應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但鋼材屈服強(qiáng)度、彈性模量隨溫度升高會(huì)明顯降低,在火災(zāi)的高溫作用下,鋼或外包鋼混凝土組合構(gòu)件達(dá)到一定溫度后易迅速屈曲失效導(dǎo)致建筑的倒塌,耐火性能不足,需采取有效的防火措施[1,2]。

      1 工程概況

      某超高層建筑位于廣州市白云新城中央商務(wù)區(qū),項(xiàng)目占地面積2.33 萬(wàn)m2,總建筑面積為19.4 萬(wàn)m2,地下4層,地上36層,為超大型綜合建筑,集商業(yè)、娛樂(lè)、高檔辦公樓于一體,1~6層裙房為商業(yè)、銀行、餐廳、會(huì)議中心,7~36 層塔樓為寫(xiě)字辦公樓,其中主塔樓高150 m,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu),地震設(shè)防烈度7 度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10 g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)?;撅L(fēng)壓值為0.50 kN/m2。塔樓外框筒由鋼管混凝土柱-鋼梁組成,核心筒墻體均采用鋼箱混凝土剪力墻,核心筒與外框筒采用U 型鋼-混凝土組合梁進(jìn)行連接。建筑實(shí)景如圖1 所示,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖1 建筑實(shí)景Fig.1 The Photo of the Building

      2 防火方案選擇

      根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50016-2014》,本工程屬于一類(lèi)公共建筑,核心筒鋼箱混凝土剪力墻構(gòu)件耐火等級(jí)為一級(jí),耐火極限為3 h。

      目前鋼或鋼-混凝土組合構(gòu)件的防火做法常用的有以下幾種:

      圖2 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面Fig.2 The Standard Floor Plan of the Tower

      ⑴外包防火層。采用預(yù)制防火板或不燃燒且熱容量大的材料,如現(xiàn)澆混凝土或防火砂漿外包覆被保護(hù)構(gòu)件,在火災(zāi)時(shí)隔離熱源,從而提高這些構(gòu)件的耐火極限。

      ⑵防火涂料。防火涂料分為膨脹型(薄涂型)和非膨脹型(厚涂型),膨脹型防火涂料在高溫時(shí)能迅速膨脹,形成數(shù)十倍的泡沫碳質(zhì)層,能有效隔絕火源,由于薄涂型施工簡(jiǎn)便,裝飾效果好,在工程實(shí)踐中應(yīng)用越來(lái)越多。

      ⑶疏導(dǎo)法。疏導(dǎo)法允許鋼材受熱升溫,但是通過(guò)技術(shù)手段將熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去,使構(gòu)件溫度不至于達(dá)到臨界溫度,從而起到保護(hù)作用。然而這種防火手段對(duì)設(shè)計(jì)要求比較高,此種做法應(yīng)用較少。

      ⑷耐火鋼。通過(guò)在鋼材中加入微量的Cr、Mo、Nb 等稀有元素,制成耐高溫的新型耐火鋼材,可以在溫度高達(dá)600 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度依然能保證常溫時(shí)的2/3以上。采用耐火鋼的結(jié)構(gòu),可以大大減少防火涂層厚度甚至取消防火涂層,節(jié)省成本。

      采用防火涂料或防火板對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行防火保護(hù)是常見(jiàn)的做法,這方面研究也已很成熟[3],但防火涂料或防火板造價(jià)高,且對(duì)施工工藝要求較高,施工速度偏慢,也不利于后期裝修作業(yè)。為保證施工進(jìn)度,綜合考慮造價(jià)及后期裝修施工、物業(yè)維護(hù)便利性等因素,本項(xiàng)目鋼箱混凝土剪力墻采用表面噴涂普通砂漿保護(hù)層作為防火隔熱層,砂漿強(qiáng)度為M7.5,厚度為70 mm,通過(guò)掛網(wǎng)批蕩方式進(jìn)行施工。為了防止砂漿保護(hù)層受火時(shí)明顯開(kāi)裂,砂漿內(nèi)設(shè)置內(nèi)外2層鋼筋網(wǎng)。防火層具體做法大樣如圖3所示。

      砂漿防火層施工工序如下:表面除銹?焊接固定栓釘?披掛底層鋼筋網(wǎng)?披掛面層鋼筋網(wǎng)?綁扎固定?70 mm分層噴涂砂漿?找平。

      施工現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

      鋼箱混凝土剪力墻作為關(guān)鍵的豎向受力構(gòu)件,鋼板外包面積大,但厚度較薄,與常規(guī)鋼混凝土組合構(gòu)件不同,目前對(duì)其耐火極限性能研究較少,有必要通過(guò)定量分析驗(yàn)證該防火做法的有效性以提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

      圖3 鋼箱混凝土剪力墻防火層做法大樣Fig.3 The Detail of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall

      圖4 鋼箱混凝土剪力墻防火層施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 The Construction Site of the Fire Insulation Layer of Concrete Filled Steel Box Shear Wall

      3 砂漿保護(hù)層防火性能分析

      3.1 幾何模型

      幾何模型取代表性的一段鋼箱混凝土剪力墻,如圖5 所示。計(jì)算單元墻厚500 mm,長(zhǎng)3 500 mm,高1 600 mm,鋼板采用Q345鋼材,外包鋼板厚度10 mm,內(nèi)部加勁隔板厚度為8 mm。鋼箱腔體中填充高強(qiáng)混凝土,強(qiáng)度等級(jí)為C60。

      圖5 外包鋼板混凝土剪力墻計(jì)算單元Fig.5 The Calculation Unit of Concrete Filled Steel Box Shear Wall

      3.2 鋼材的熱工參數(shù)3.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

      鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)因鋼材種類(lèi)不同而略有不同,但除不銹鋼等特殊鋼材外,導(dǎo)熱系數(shù)基本接近,學(xué)者Lie T T[4]提出鋼材導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式為:

      式中,導(dǎo)熱系數(shù)單位為W/(m·℃)。

      3.2.2 比熱與容重

      鋼材的容重基本不隨溫度變化,一般取ρs=7 850 kg/m3。鋼材在725℃時(shí),內(nèi)部顆粒成分發(fā)生變化,比熱增加。文獻(xiàn)[4]給出的鋼材比熱與容重乘積的關(guān)系式如下:

      式中:比熱的單位為J/(kg·℃)。

      3.3 混凝土的熱工參數(shù)

      3.3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

      混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于各組成成分的熱傳導(dǎo)率,主要影響因素為骨料含量和含水量,文獻(xiàn)[4]提出的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式為:

      式中:導(dǎo)熱系數(shù)單位為W/(m·℃)。

      3.3.2 比熱與容重

      混凝土在高溫狀態(tài)下,因?yàn)樽杂伤恼舭l(fā),容重會(huì)略有降低,但是可以認(rèn)為基本不隨溫度變化,一般取ρc=2 350 kg/m3。文獻(xiàn)[4]給出的混凝土比熱與容重乘積的關(guān)系式如下:

      式中,比熱的單位為J/(kg·℃)。

      3.4 普通砂漿的熱工參數(shù)

      普通砂漿的熱工參數(shù)如下:導(dǎo)熱系數(shù)為1.03 W/(m·℃),質(zhì)量熱容為840 J/(kg·℃),密度為1 780 kg/m3。

      3.5 邊界條件

      火災(zāi)作用下,外界空氣向結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠岱绞街饕菬釋?duì)流和熱輻射,而結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳熱方式則主要是熱傳導(dǎo)。假定砂漿保護(hù)層和鋼板之間,鋼板和混凝土之間均為理想傳熱條件,且鋼箱混凝土剪力墻處于四面受火狀態(tài),參考ECCS中的取值,熱對(duì)流系數(shù)在受火面取25 W/(m·℃),熱輻射系數(shù)取0.5,并在Abaqus 軟件中定義絕對(duì)零度為-273 ℃,定義Stefan-Boltzmann 常數(shù)為5.669 7×10-8。

      火災(zāi)下熱邊界條件中環(huán)境溫度變化曲線(xiàn)按ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)[5],如圖6 所示,受火邊界條件假定如圖7、圖8所示。

      3.6 溫度計(jì)算結(jié)果分析

      將不設(shè)置普通砂漿保護(hù)層的鋼箱混凝土剪力墻與設(shè)置70 mm 厚普通砂漿保護(hù)層的鋼箱混凝土剪力墻進(jìn)行對(duì)比分析,受火200 min 時(shí)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果云圖分別如圖9所示。

      由圖9 可發(fā)現(xiàn),受火200 min 后,未設(shè)置保護(hù)層的鋼箱混凝土剪力墻,溫度由外向內(nèi)逐漸升高,由于鋼材的導(dǎo)熱性能良好,溫度最高的部位集中在鋼箱的四個(gè)角部區(qū)域和中間鋼隔板處,鋼箱外圍一圈的溫度和火災(zāi)溫度相同,達(dá)到1 125 ℃。鋼箱中間隔板溫度最低點(diǎn)位于中間區(qū)域,溫度達(dá)到280 ℃?;炷恋膶?dǎo)熱性能較差,平均溫度相對(duì)較低,但是各個(gè)腔體內(nèi)緊貼外圍鋼板的混凝土溫度達(dá)到了1 000 ℃,距離外圍鋼板一定距離后,混凝土溫度快速下降至500 ℃左右,內(nèi)部核心區(qū)范圍混凝土溫度較低,不到100 ℃。

      圖6 ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)Fig.6 The ISO-834 Standard Temperature Rise Curve

      圖7 模型受火環(huán)境條件Fig.7 The Model's Fire Environment Condition

      圖8 模型傳熱邊界條件Fig.8 The Model's Heat-transfer Boundary Condition

      圖9 鋼箱混凝土剪力墻溫度云圖(受火200min)Fig.9 The Temperature Cloud Chart of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall(200 Mins under Fire)

      鋼板表面噴抹70 mm 厚水泥砂漿后,由于砂漿的隔熱作用,鋼箱混凝土剪力墻整體上溫度大大降低。受火200 min 后仍是外圈鋼板溫度最高,角點(diǎn)的溫度達(dá)到630 ℃,平均溫度在450 ℃左右。內(nèi)部混凝土則除了緊貼鋼板的小范圍薄層混凝土溫度較高外,大部分區(qū)域的溫度均低于200 ℃。對(duì)比可知,砂漿保護(hù)層能有效隔離熱源,使得鋼箱混凝土剪力墻在同樣條件的火災(zāi)作用下構(gòu)件溫度大大降低。圖10 為設(shè)置70 mm 厚普通砂漿保護(hù)層后,鋼箱混凝土剪力墻在火災(zāi)作用下局部放大后的溫度云圖。

      圖10 70mm厚砂漿保護(hù)層鋼箱混凝土剪力墻局部放大溫度云圖Fig.10 The Enlarged Temperature Cloud Chart of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall with 70 mm Mortar Layer

      4 設(shè)置砂漿保護(hù)層鋼箱混凝土剪力墻耐火極限性能分析

      4.1 耐火極限性能分析的有限元模型定義

      耐火極限分析采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 進(jìn)行,采用順序熱力耦合的方式,首先建立火災(zāi)下鋼箱混凝土剪力墻的耐火性能有限元分析模型,然后進(jìn)行火災(zāi)下的鋼板剪力墻熱分析,得出構(gòu)件溫度場(chǎng),再將分析得出的溫度場(chǎng)結(jié)果作為荷載耦合入計(jì)算模型進(jìn)行靜力分析,得出外包鋼板混凝土組合剪力墻采用普通砂漿作為防火保護(hù)層的耐火極限及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形[6,7]。

      分析時(shí)截取長(zhǎng)1 500 mm、高1 600 mm 的鋼箱混凝土剪力墻進(jìn)行分析計(jì)算,構(gòu)件劃分為3 維實(shí)體單元[8]。受火條件詳見(jiàn)本文第3 節(jié),鋼板混凝土剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí),軸壓比偏保守取為抗震等級(jí)二級(jí)時(shí)剪力墻構(gòu)件的極限值0.6,相應(yīng)豎向荷載為29 000 kN。鋼箱混凝土剪力墻分析時(shí)只考慮鋼板和混凝土參與受力,砂漿保護(hù)層只看作附加在構(gòu)件表面的荷載,不考慮其對(duì)構(gòu)件承載力的貢獻(xiàn)。

      由于溫度不斷升高時(shí),鋼材和混凝土的力學(xué)行為也在不斷變化,與正常工作狀態(tài)下的力學(xué)性能不同,需對(duì)鋼材及混凝土在升溫過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行定義。

      4.2 鋼材的熱力學(xué)性能

      高溫下鋼材的力學(xué)性能與常溫下力學(xué)性能相去甚遠(yuǎn),普通鋼材在超過(guò)400 ℃后屈服強(qiáng)度開(kāi)始降低,在900 ℃以上幾乎完全喪失承載能力。為了模擬鋼材的熱力學(xué)性能,采用歐洲規(guī)范《EN 1993-1-2:2005》[9]中建議的高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式:

      其中,εp(T)=fp(T)/Es(T),εy(T)=0.02,εt(T)=0.15,εu(T)=0.2,a2=[εy(T)-εp(T)][εy(T)-εp(T)+c/Es(T)],b2=c[εy(T)-εp(T)]Es(T)+c2,c=[fy(T)-fp(T)]2/{[εy(T)-εp(T)]Es(T)-2[fy(T)-fp(T)]}。

      鋼材的熱膨脹系數(shù)采用文獻(xiàn)[4]提出的公式:

      4.3 混凝土的熱力學(xué)性能

      混凝土在高溫下的本構(gòu)曲線(xiàn)采用Lie提出的公式:

      其中,εmax=0.002 5+(6T+0.04T2)×106,

      混凝土的熱膨脹系數(shù)按照歐洲規(guī)范《EN1992-1-2:2004》[7]或者文獻(xiàn)[4]建議的6×10-6。

      4.4 耐火極限判定方法

      耐火極限的判定方法參考《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法:GB/T 9977.1-2008》[10]中的規(guī)定,當(dāng)滿(mǎn)足以下條件時(shí)即判斷試件達(dá)到耐火極限:

      ⑴試件軸向壓縮變形量達(dá)到1%L(模型高1 600 mm,即軸向變形達(dá)到16 mm);

      ⑵試件軸向壓縮變形速率達(dá)到0.3%L/min;

      ⑶試件無(wú)法繼續(xù)承擔(dān)所施加的設(shè)計(jì)荷載。

      4.5 耐火極限計(jì)算結(jié)果

      軸向施加29 000 kN 荷載后,鋼板混凝土剪力墻豎向壓縮變形為-0.66 mm,然后繼續(xù)在火災(zāi)作用下受火200 min。軸向壓力在受火過(guò)程一直保持29 000 kN沒(méi)有變化,由于材料的熱膨脹作用,豎向變形先是反向增加至+1.17 mm,繼而由于材料在高溫狀態(tài)下工作性能下降,豎向壓縮變形不斷增大,最終200 min 時(shí)的軸向變形為-0.6 mm。軸向壓縮變形量及軸向壓縮變形速率均遠(yuǎn)小于規(guī)定的耐火極限值,而且軸壓力及設(shè)計(jì)荷載也保持不變,即構(gòu)件無(wú)繼續(xù)承擔(dān)所施加的設(shè)計(jì)荷載。因此可以認(rèn)為鋼箱剪力墻在保護(hù)層的保護(hù)下,能夠保持正常工作至少3 h,滿(mǎn)足規(guī)范要求的3 h 耐火極限要求[11]。

      5 結(jié)論及展望

      本文對(duì)某超高層建筑鋼箱混凝土剪力墻提出了采用70 mm 厚普通砂漿作為防火層隔熱層的防火做法,利用ABAQUS 軟件對(duì)鋼箱混凝土剪力墻構(gòu)件進(jìn)行了熱力學(xué)仿真分析,驗(yàn)證了設(shè)置一定厚度普通砂漿保護(hù)層的鋼箱混凝土剪力墻,在火災(zāi)作用下能滿(mǎn)足規(guī)范要求的耐火極限,該防火措施施工簡(jiǎn)便,節(jié)省造價(jià),節(jié)約工期,可在類(lèi)似項(xiàng)目中參考使用。

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