高溫下不同受火面對(duì)開洞剪力墻溫度場的影響

王中強(qiáng)，周錚

（長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410114）

0 引言

在我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和商業(yè)需求不斷擴(kuò)增的背景下，高層與超高層結(jié)構(gòu)應(yīng)用愈加廣泛，常用于高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻以及筒體結(jié)構(gòu)也與實(shí)際工程的聯(lián)系越來越緊密。 而在實(shí)際建筑工程中，因設(shè)計(jì)功能的改變和房屋裝修的需要，常常會(huì)碰到對(duì)剪力墻開洞的情況。剪力墻作為剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)以及核心筒結(jié)構(gòu)中的主要抗側(cè)力構(gòu)件，對(duì)其開設(shè)洞口，不僅會(huì)削弱剪力墻自身抗側(cè)移能力，而且會(huì)影響原有結(jié)構(gòu)性能。

目前，全國各地的火災(zāi)發(fā)生頻率越來越高，且隨著建筑物高度的增加，火災(zāi)造成的危害也更加嚴(yán)重。 火災(zāi)不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人們的生命財(cái)產(chǎn)，而且會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷，因此，對(duì)火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)使用評(píng)估尤為重要。 現(xiàn)階段人們對(duì)于常溫下的剪力墻力學(xué)性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)及研究，但對(duì)剪力墻受火以及受火后力學(xué)性能的損傷研究較少。

本文以某實(shí)際結(jié)構(gòu)中一片一字型開洞剪力墻為研究對(duì)象，采用Abaqus 有限元分析軟件， 在溫度場理論分析的基礎(chǔ)上建立了開洞剪力墻模型， 并分別考慮了單面受火和雙面受火的情況，通過數(shù)值計(jì)算對(duì)比受火面對(duì)開洞剪力墻溫度場的影響。 分析結(jié)果可為進(jìn)一步進(jìn)行高溫下剪力墻力學(xué)性能分析與火災(zāi)后修復(fù)加固提供參考。

1 溫度場分析理論基礎(chǔ)

1.1 計(jì)算假設(shè)

本文在對(duì)受熱混凝土剪力墻溫度場進(jìn)行分析時(shí)，采取如下假設(shè)：

（1） 混凝土各個(gè)方向均質(zhì)、同性，且內(nèi)部不產(chǎn)生熱量；

（2） 忽略混凝土內(nèi)部水的遷移、蒸發(fā)以及質(zhì)量密度改變的影響；

（3） 不考慮熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化耦合，即忽略材料應(yīng)力、應(yīng)變的機(jī)械作用轉(zhuǎn)化涉及的小部分熱量；

（4） 熱傳遞時(shí)忽略鋼筋影響。

1.2 高溫下材料相關(guān)熱工參數(shù)

（1） 質(zhì)量密度

隨著溫度的升高，混凝土內(nèi)部水分會(huì)因蒸發(fā)減少，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量密度有微弱減少。 本文對(duì)質(zhì)量密度的變化采取文獻(xiàn)[1]所用公式：

為簡化計(jì)算，本文取為常數(shù)Pc(T)=2300 (kg/m3)

（2） 比熱容

單位質(zhì)量的混凝土在溫度降低或者升高1℃所放出或吸收的熱量即為混凝土的比熱容。本文對(duì)混凝土的比熱容采用文獻(xiàn)[2]所用公式：

（3） 熱傳導(dǎo)率

熱傳導(dǎo)率又被稱為導(dǎo)熱系數(shù)，是指材料單位體積下，在單位時(shí)間和單位溫度差異下傳導(dǎo)的能量。本文對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)采用文獻(xiàn)[3]所述表達(dá)式：

（4） 熱膨脹系數(shù)

隨著溫度的改變，物質(zhì)體積會(huì)發(fā)生膨脹和收縮現(xiàn)象。 因此在研究混凝土受熱時(shí)，本文對(duì)混凝土的熱膨脹系數(shù)采用文獻(xiàn)[4]所用公式：

1.3 邊界條件

分析剪力墻受火這個(gè)物理過程時(shí)， 除了溫度控制方程外，還需要給定初始條件和邊界條件。 因此，本文給定初始時(shí)刻的溫度分布為：

本文在溫度場計(jì)算中，初始環(huán)境溫度取20℃。 受火邊界條件主要分為以下三類[5]：

（1） 第一類定解條件：已知構(gòu)件表面的溫度與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)

（2） 第二類定解條件：已知受火面的表面熱流密度大小

（3） 第三類定解條件：已知熱輻射和受火面邊界對(duì)流條件

本剪力墻結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件的受火面采用第三類定解條件，與受火面接觸的環(huán)境溫度變化情況取ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線；背火面的初始溫度不隨時(shí)間改變，因此取為第一類邊界條件，大小值取常溫（即20℃）?；炷帘砻婧痛髿獾臒峤粨Q系數(shù)大小主要取決于空氣流動(dòng)的快慢，系數(shù)數(shù)值在20～80（W/m℃）區(qū)間內(nèi)。對(duì)于本文采用的混凝土剪力墻模型，要分別考慮單雙面受火。 由于空氣流動(dòng)速度快，受火面取 h=25（W/m℃），背火面取 h=15（W/m℃）[6]。 而對(duì)于熱輻射傳遞，剪力墻模型受火側(cè)的熱輻射系數(shù)取0.8，背火側(cè)取0.1。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線是在大量建筑火災(zāi)的基礎(chǔ)上分析得到的，對(duì)火災(zāi)模擬和火災(zāi)試驗(yàn)有重要的參考意義，其表達(dá)公式如下：

其中，T 為隨受火時(shí)間變化的溫度；T0為環(huán)境溫度；t 為受火時(shí)間。 在Abqus 中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線建立的振幅曲線如圖1 所示。

圖1 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線建立的振幅曲線

2 有限元模型建立及結(jié)果分析

2.1 模型建立

本文建立的一字型剪力墻模型取自某高層結(jié)構(gòu)中， 剪力墻的高度為 3000mm， 墻肢的厚度為 200mm， 剪力墻肢長為500mm，且設(shè)有1000mm 寬的門洞，連梁高度為 400mm，混凝土等級(jí)采用C30。受火方式分別考慮單側(cè)和雙側(cè)受火， 受火面采用國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫， 背火面采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度20℃。 具體有限元模型詳見圖2。

圖2 剪力墻模型正面圖

模型建立時(shí)， 傳熱單元選用混凝土 DC3D8 八節(jié)點(diǎn)六面體[7]。 進(jìn)行有限元分析時(shí)，劃分模型網(wǎng)格越精確， 分析結(jié)果越接近實(shí)際。 但是網(wǎng)格劃分越密，計(jì)算效率越低，因此，本文在綜合考慮精密度、計(jì)算效率等因素后， 選取10mm 的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 剪力墻模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 溫度場結(jié)果分析

2.2.1 雙面受火溫度場分析

雙側(cè)受火60min 后，剪力墻連梁跨中截面溫度分布云圖如圖4 所示，受火120min 后的連梁截面溫度分布云圖如圖5 所示。 為了進(jìn)一步分析截面節(jié)點(diǎn)高度對(duì)溫度的影響，本文以連梁跨中截面節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，分析溫度分布情況，其溫度與時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖4 60min 時(shí)連梁跨中截面溫度分布云圖

圖5 120min 時(shí)連梁跨中截面溫度分布云圖

圖6 剪力墻連梁處截面節(jié)點(diǎn)溫度變化圖

雙面受火的剪力墻墻肢跨中截面在60min 時(shí)的截面溫度分布云圖如圖7 所示，120min 時(shí)的截面溫度分布云圖如圖8 所示。

圖7 60min 時(shí)剪力墻豎向截面溫度分布云圖

圖8 120min 時(shí)剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

2.2.2 單面受火溫度場分析

單側(cè)受火60min 后，剪力墻連梁跨中截面的溫度分布云圖如圖9 所示，受火120min 時(shí)的截面溫度分布云圖如圖10 所示。 連梁跨中截面節(jié)點(diǎn)高度對(duì)溫度的影響與雙面受火情況基本相同，因此不再重復(fù)。

圖9 60min 時(shí)連梁跨中截面溫度分布云圖

圖10 120min 時(shí)連梁跨中截面溫度分布云圖

單面受火的剪力墻肢跨中截面在60min 時(shí)的截面溫度分布云圖如圖11 所示，120min 時(shí)的截面溫度場如圖12 所示。

圖11 60min 時(shí)剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

圖12 120min時(shí)剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

2.2.3 單面受火與雙面受火對(duì)比分析

相同的熱工條件下對(duì)有限元模型升溫120min 后， 單側(cè)受火情況下，剪力墻肢內(nèi)部溫度差異較大，且受火面與背火面熱度差異較為明顯；雙側(cè)受火情況下，剪力墻肢內(nèi)部溫度差異比較小，節(jié)點(diǎn)與受火面的距離大小與節(jié)點(diǎn)溫度間關(guān)系密切。 對(duì)比兩種受火方式的剪力墻肢中心測點(diǎn)溫度，發(fā)現(xiàn)單面受火下的溫度為144℃，雙面受火下的溫度為165℃，雙面受火溫度高于單面受火11℃。而在連梁處，雙面受火下連梁跨中截面的中心測點(diǎn)溫度相比于單面受火情況下，要高出24℃左右。可見在雙面受火的情況下，剪力墻肢和連梁中心區(qū)域溫度比單面受火更高，且兩種受火情況下連梁跨中截面溫度比剪力墻肢跨中截面溫度差異更大。

3 結(jié)論

本文給定了溫度場的計(jì)算假設(shè)，考慮了熱傳遞的三種基本方式， 應(yīng)用有限元分析軟件Abaqus 對(duì)開洞剪力墻進(jìn)行了溫度場模擬分析，并對(duì)單面受火和雙面受火兩種情況進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)溫度場分布情況，得出結(jié)論如下：

（1） 剪力墻在火災(zāi)作用下，墻肢內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)升溫曲線略微滯后于標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，但總體變化趨勢與升溫曲線接近。 墻肢內(nèi)節(jié)點(diǎn)與受火面垂直距離相同時(shí)，溫度基本相同。 但離受火面越近，溫度梯度的差異越大。

（2） 其余條件相同，在受火時(shí)間分別取 60min 和 120min 的情況下，發(fā)現(xiàn)受火時(shí)間的增加，會(huì)使得墻肢截面溫度梯度減小，說明受火條件對(duì)截面溫度分布影響很大。

（3） 其余條件相同，取不同受火面的情況下，發(fā)現(xiàn)雙面受火的剪力墻中心溫度比單面受火的溫度要高，且連梁跨中截面處的溫度差異比墻肢中間的溫度差異更大。