防屈曲鋼板剪力墻在火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)分析

仇浩宇，王中強(qiáng)

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

鋼板剪力墻作為一種抗側(cè)力構(gòu)件，具有良好的延性、耗能能力等，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始便逐漸被應(yīng)用到實(shí)際工程中，但鋼板剪力墻也存在容易發(fā)生平面外屈曲等不足，為此一些學(xué)者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究提出了防屈曲鋼板剪力墻[1]。防屈曲鋼板剪力墻（簡(jiǎn)稱BRW）是一種新型的抗側(cè)力約束耗能構(gòu)件，由內(nèi)側(cè)鋼板與兩側(cè)的預(yù)制混凝土蓋板通過(guò)穿透三塊板的螺栓連接而成。其中，內(nèi)側(cè)鋼板作為核心抗側(cè)力構(gòu)件承受水平荷載，兩側(cè)的預(yù)制混凝土蓋板作為防屈曲約束構(gòu)件起到面外約束的作用，整體結(jié)構(gòu)中只有內(nèi)側(cè)鋼板與框架梁和框架柱直接相連，外側(cè)預(yù)制混凝土蓋板則與框架梁和框架柱留有一定的間隙。防屈曲鋼板剪力墻具有滯回曲線飽滿、側(cè)向力作用下不易屈曲、對(duì)框架柱無(wú)附加彎矩作用等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于實(shí)際工程中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技不斷發(fā)展的背景下，越來(lái)越多的建筑開(kāi)始向高層化方向發(fā)展。剪力墻構(gòu)件以其良好的抗震性能被廣泛應(yīng)用于高層建筑中，是高層建筑中主要的抗側(cè)力構(gòu)件。近年來(lái)，因各種因素導(dǎo)致的建筑火災(zāi)頻發(fā)。建筑火災(zāi)危害極大，不僅會(huì)威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，還會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞。研究表明，當(dāng)受火溫度達(dá)到650℃以上時(shí)，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度，失去承載能力而不能繼續(xù)使用，而混凝土強(qiáng)度也會(huì)在超過(guò)600℃后急劇下降，因此對(duì)剪力墻構(gòu)件開(kāi)展在火災(zāi)條件下的性能研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前，人們對(duì)防屈曲鋼板剪力墻在常溫下的力學(xué)性能和抗震能力進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)其在高溫中及高溫后的性能研究較少。

本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立防屈曲鋼板剪力墻模型，結(jié)合傳熱分析的基本理論對(duì)其在火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，其中考慮了防屈曲鋼板剪力墻在單面受火與雙面受火中所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)差異情況。分析可為后續(xù)研究防屈曲鋼板剪力墻在火災(zāi)中及火災(zāi)后的力學(xué)性能提供參考。

1 溫度場(chǎng)分析概述

1.1 傳熱基本理論

傳熱學(xué)是一門研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，提出凡是有溫差存在的地方，就會(huì)有熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞至低溫物體，這種現(xiàn)象廣泛存在于在自然界和各種生產(chǎn)領(lǐng)域中。傳熱的基本方式有三種，分別是熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。其中，因?yàn)闊彷椛涫且詫?duì)外輻射電磁能量的形式傳熱，所以熱量的傳遞不需要介質(zhì)，即使在真空中也可以完成熱量傳遞，而熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)則需要介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過(guò)程。熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三者往往同時(shí)存在于實(shí)際的傳熱過(guò)程中，比如在火災(zāi)條件下，熱空氣會(huì)通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射的方式向構(gòu)件表面?zhèn)鬟f熱量，而熱量又通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式在構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行傳遞。

通過(guò)傳熱分析可以得到構(gòu)件在模擬火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)，由溫度場(chǎng)可以清楚了解構(gòu)件內(nèi)部各點(diǎn)溫度分布的情況，以此分析構(gòu)件在模擬火災(zāi)條件下內(nèi)部熱量的傳遞情況。傳熱分析根據(jù)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的溫度是否隨時(shí)間變化而變化可分為穩(wěn)態(tài)傳熱分析和瞬態(tài)傳熱分析，相應(yīng)的溫度場(chǎng)也可分為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

1.2 溫度場(chǎng)分析的基本假設(shè)

在對(duì)有限元模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析的過(guò)程中，考慮到影響溫度場(chǎng)的因素眾多，因此本文在分析的過(guò)程中提出了如下假設(shè)，以此簡(jiǎn)化分析過(guò)程：

（1）結(jié)構(gòu)中混凝土、鋼材均為各向同性材料，其材料熱工參數(shù)均不隨方向改變而改變；

（2）不考慮板內(nèi)鋼筋的作用；

（3）分析過(guò)程中忽略混凝土蓋板與鋼板之間的微小縫隙；

（4）構(gòu)件在受火時(shí)不考慮內(nèi)部熱源的產(chǎn)生；

（5）分析時(shí)忽略應(yīng)力應(yīng)變對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

2 有限元模型建立與分析方法

2.1 模型簡(jiǎn)介

本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行分析，建立的防屈曲鋼板剪力墻有限元模型如圖1所示，模型由內(nèi)側(cè)鋼板、預(yù)制混凝土蓋板、連接螺栓和框架梁柱組成。內(nèi)側(cè)鋼板平面尺寸選為6000×3300mm，厚度為30mm，其與周邊框架梁柱直接連接。外側(cè)預(yù)制混凝土蓋板平面尺寸選為5800×3100mm，厚度為100mm，其在鋼板兩側(cè)均有布置;混凝土蓋板與周邊框架梁柱之間的間隙值取100mm，滿足罕遇地震下最大層間位移角限值1.5倍的要求。連接螺栓選為直徑30mm，長(zhǎng)度230mm，螺栓按5排8列的方式排列，其穿過(guò)內(nèi)側(cè)鋼板和兩側(cè)混凝土蓋板?？蚣芰褐鶠镠型鋼，尺寸均為H750×450×30×35mm。

圖1 防屈曲鋼板墻模型圖

在防屈曲鋼板剪力墻模型中，內(nèi)側(cè)鋼板和框架梁柱之間通過(guò)ABAQUS里的Tie約束功能綁定在一起。同理，框架梁與框架柱相接的梁柱節(jié)點(diǎn)、螺栓與鋼板間的接觸面以及螺栓與混凝土蓋板間的接觸面也通過(guò)Tie約束進(jìn)行綁定。在內(nèi)側(cè)鋼板和混凝土蓋板間的接觸面上設(shè)置面對(duì)面接觸相互作用，其中法向設(shè)置為“硬”接觸，切向設(shè)置為庫(kù)侖摩擦模型，并設(shè)置熱傳導(dǎo)。

在溫度場(chǎng)分析中，單元類型的選擇與網(wǎng)格的布置會(huì)對(duì)最后的運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生影響。為了保證運(yùn)算過(guò)程的精確性，在模型中選擇了DC3D8八結(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元作為熱傳遞單元進(jìn)行分析。在網(wǎng)格劃分中，連接螺栓取20mm近似全局尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其余構(gòu)件取150mm近似全局尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 材料參數(shù)的確定

研究表明，在高溫環(huán)境下，鋼材與混凝土的各項(xiàng)性能參數(shù)會(huì)隨著溫度升高而發(fā)生變化，所以在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，必須考慮材料性能參數(shù)隨溫度變化而發(fā)生的改變。

2.2.1 鋼材相關(guān)參數(shù)

本文中所有鋼材均選用Q235鋼，高溫下鋼材的密度ρs取定值7850kg/m3，泊松比ν取定值0.3。鋼材在高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/m℃)和比熱容C（J/kg℃）參考?xì)W洲規(guī)范[2]給出的公式取值：

2.2.2 混凝土相關(guān)參數(shù)

本文中預(yù)制混凝土蓋板選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，混凝土高溫下的密度ρc參考相關(guān)文獻(xiàn)[4]中提出的數(shù)值取定值2400 kg/m3，泊松比ν取定值0.2。混凝土在高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/m℃）和比熱容C（J/kg℃）參考?xì)W洲規(guī)范[5]給出的公式取值：

混凝土的熱膨脹系數(shù)α參考T.T.Lie[6]給出的公式取值：

2.3 模擬火災(zāi)條件下的基本過(guò)程

建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于內(nèi)部環(huán)境狀況的不同，往往導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)展的速度趨勢(shì)不同。本文在分析過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)ISO-834升溫曲線模擬火災(zāi)條件下的溫度狀況，曲線公式如下：

式中：T為時(shí)刻t時(shí)的溫度，℃；T0為環(huán)境初始溫度，℃；t為構(gòu)件受火的時(shí)長(zhǎng)，min。防屈曲鋼板剪力墻模型受火前，假設(shè)其整體溫度等于環(huán)境初始溫度，并取T0為20℃。為重點(diǎn)分析防屈曲鋼板剪力墻在火災(zāi)條件下內(nèi)部的傳熱模式和溫度場(chǎng)分布情況，在分析時(shí)限定墻面板區(qū)域?yàn)槭芑鹈?，即框架梁柱除了墻板方向?nèi)側(cè)區(qū)域外其余區(qū)域不直接受火，并考慮了墻面板區(qū)域單面受火和雙面受火時(shí)對(duì)模型整體溫度場(chǎng)的影響，受火方式圖見(jiàn)圖3。

圖3 受火方式圖

3 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

3.1 中截面溫度云紋圖分析

在溫度場(chǎng)分析時(shí)，對(duì)防屈曲鋼板剪力墻有限元模型分別按照單面受火和雙面受火的方式加熱100min后得到模型整體溫度云圖，分別取整體模型沿X軸方向、Y軸方向和Z軸方向中截面切開(kāi)后的溫度云紋圖進(jìn)行分析，溫度云紋圖分別見(jiàn)圖4、圖5和圖6。

圖4 X軸方向中截面溫度云紋圖

圖5 Y軸方向中截面溫度云紋圖

圖6 Z軸方向中截面溫度云紋圖

觀察X軸方向溫度云紋圖，在模型單面受火100min后，受火面混凝土板最外側(cè)溫度達(dá)到1000℃左右，當(dāng)向內(nèi)側(cè)鋼板方向移動(dòng)時(shí)溫度逐漸下降?？拷摪逯胁课恢脺囟认陆?0%以上，而越靠近鋼板上下兩端，溫度下降的趨勢(shì)越弱。另一側(cè)混凝土板溫度基本接近室溫，而與鋼板相連接的框架梁處溫度也出現(xiàn)從受火面向不受火面逐漸遞減的趨勢(shì)。相對(duì)于單面受火，雙面受火的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出包裹的趨勢(shì)，此時(shí)混凝土板和鋼板內(nèi)部各處溫度相較于單面受火時(shí)均有上升，與鋼板相接處的框架梁位置溫度也有上升。觀察Y軸方向溫度云紋圖，受火面混凝土板表面溫度基本達(dá)到1000℃左右，但螺栓位置處表面溫度相對(duì)要低一些，而與鋼板兩側(cè)相連接的框架柱連接處溫度也呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。觀察Z軸方向溫度云紋圖，在鋼板不被混凝土板覆蓋的區(qū)域，即混凝土板與框架梁柱間留設(shè)間隙處溫度非常高，其溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出向周邊逐漸遞減的趨勢(shì)。雙面受火時(shí)，明顯觀察到螺栓位置溫度高于周邊區(qū)域。

3.2 Z軸方向點(diǎn)的溫度時(shí)間變化圖分析

為了進(jìn)一步分析防屈曲鋼板剪力墻模型內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況，取內(nèi)側(cè)鋼板中部位置點(diǎn)為原點(diǎn)，沿Z軸取A、B、C、D、E、F、G共7個(gè)點(diǎn)建立不同厚度位置處的溫度隨時(shí)間變化圖，其中A、B、C、D、E、F、G的距中距離分別為+115mm、+65mm、+15mm、0mm、-15mm、-65mm、-115mm，如圖7和圖8所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)位置圖

圖8 點(diǎn)的溫度時(shí)間變化圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)單面受火時(shí)，靠近受火面處點(diǎn)的溫度時(shí)間變化曲線近似于標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，而遠(yuǎn)離受火面處點(diǎn)的曲線上升幅度不大。雙面受火時(shí)，兩側(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)出對(duì)稱分布趨勢(shì)，越靠近中部位置曲線的上升幅度越小，但相較于單面受火時(shí)，曲線的上升幅度都有提高。

4 結(jié)論

通過(guò)采用ABAQUS對(duì)防屈曲鋼板剪力墻進(jìn)行火災(zāi)條件下的溫度場(chǎng)分析，同時(shí)分別考慮了單面受火和雙面受火時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)分析結(jié)果的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）在對(duì)防屈曲鋼板剪力墻模型按照標(biāo)準(zhǔn)ISO-834曲線模擬火災(zāi)條件下的升溫變化時(shí)，受火面?zhèn)然炷涟逭w溫度上升較快，越靠近內(nèi)側(cè)鋼板的位置溫度上升的速度越慢。在單面受火中，受火面混凝土板整體溫度上升的速度遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)鋼板和背火面混凝土板。在雙面受火中，兩側(cè)混凝土板整體溫度上升的速度同樣遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)鋼板；

（2）在單面受火和雙面受火中，內(nèi)側(cè)鋼板整體溫度上升的趨勢(shì)都較為平緩，但不同位置處溫度上升的速度并不一樣。從Z軸方向看，內(nèi)側(cè)鋼板周邊無(wú)混凝土板覆蓋的區(qū)域溫度上升的速度很快，越靠近鋼板中心的區(qū)域溫度上升的趨勢(shì)越平緩。在混凝土板側(cè)，連接螺栓的溫度低于附近混凝土板區(qū)域的溫度，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出圓形中心輻射的特征；

（3）雙面受火時(shí)，內(nèi)側(cè)鋼板同一部位溫度上升的趨勢(shì)高于單面受火，說(shuō)明不同的受火方式會(huì)影響防屈曲鋼板剪力墻內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。