鋼箱混凝土剪力墻砂漿防火隔熱層性能分析

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。