基于ABAQUS的剪力墻高溫下溫度場分析

【摘要】隨著高層建筑的大量涌現，燃氣、電器大規模普及以及施工過程中不當的操作，高層建筑火災隱患顯著增加。本文以上海某公寓大火為工程背景，利用有限元ABAQUS對剪力墻高溫下的溫度場分析，取得高溫下剪力墻截面溫度場分布規律，結果表明用有限元模擬剪力墻火災下溫度場的分析是有效合理的，模擬為進一步進行火災后剪力墻力學性能分析與加固修復措施的確立創造了條件。

【關鍵詞】結構抗火，ABAQUS，剪力墻，溫度場

引言

剪力墻結構因其抗震性能好而被廣泛運用。剪力墻不僅在建筑上發揮防火墻的功能，而且在結構上起著承受大部分水平荷載的作用。一方面，高溫會使剪力墻中鋼筋和混凝土材性惡化，導致剪力墻強度、剛度下降，削弱其抗震能力。另一方面，剪力墻的受力狀態卻不會改變溫度場的分布。因此可以獨立分析剪力墻構件的溫度場分布，再分析火災后剪力墻的力學性能。同時，溫度場的確定在正確評定火災后結構的損傷程度，制定合理的加固修復措施起著重要作用。

本文基于ABAQUS有限元軟件對剪力墻構件溫度場進行分析，為今后火災后剪力墻的力學性能分析提供基礎。

1.有限元計算原理

1.1 瞬態導熱微分方程

結構遭受火災，周圍熱氣流層以輻射和對流的方式向混凝土表面傳遞熱量，使構件表面溫度很快升高，表面熱量又以熱傳遞的形式向截面內部傳遞。由于混凝土是熱惰性材料，因此在結構內部形成不均勻的溫度分布，形成溫度梯度，又隨著火災持續時間發生變化，是一個瞬態溫度場。混凝土內部無熱源，各時刻溫度場可用下式表述[1]：

（1）

其中，ρ為密度，Kg/m3，c為比熱，J/（kg·℃），λ為傳熱系數，W/（m·℃），T為溫度，℃，t為時間，s。

1.2 初值條件與邊界條件

火災開始前，構件處在環境溫度狀態，可認為整個構件溫度均勻，等于環境溫度T0。初值條件可用下式表述：

（2）

火災發生后，構件受火面存在輻射與對流兩種傳熱方式，背火面存在對流與熱傳遞兩種傳熱方式，邊界條件可用下式表述[2] ：

（3）

其中，lx，ly，lz為邊界方向余弦，hc為環境與邊界之間的對流換熱系數，W/（m2·℃），hr為環境與邊界之間的輻射換熱系數，Tf為構件邊界絕對溫度，℃，σ為Stefan-Boltzmann常數，σ=5.67×10-8 W/（m2·℃）。

2 .建模與計算

2.1混凝土、鋼筋的熱工性能

構件溫度場分析采用ABAQUS/Standard模塊，在建立有限元模型時需要確定混凝土、鋼筋的熱工性能。混凝土熱工性能可用下式表達[2] ：

導熱系數： （4）

比熱： （5）

密度：：ρc=2400kg/m3 （6）

鋼筋熱工性能可用下式表達[3] ：

導熱系數： （7）

（8）

比熱：

（9）

（10）

（11）

（12）

密度：ρs=7800kg/m3

2.2 升溫曲線

火災發生對構件的影響可采用國際標準組織ISO834建議的構件標準試驗曲線，在ABAQUS模擬中采用下式輸入：

（13）

其中： T0初始溫度，可取20℃；t為火災持續時間。

2.3 ABAQUS溫度場模擬

在有限元模擬中，剪力墻構件截面高度1000mm，截面厚度110mm，兩端暗柱長度150mm，剪力墻高度1400mm（墻1300mm+頂梁高度一半100mm），頂梁200×200mm，地梁400×400mm。保護層厚度15mm。 墻身雙層雙向配筋A6@100，豎向配筋率ρsv，ρsh均為0.60%，暗柱配筋4B12，暗柱箍筋A6@100，頂梁配筋4B18，頂梁箍筋A8@100，地梁配筋10B18，地梁箍筋A8@100。構件溫度場分析采用ABAQUS/Standard模塊，混凝土采用采用DC3D8八節點傳熱單元，鋼筋采用DC1DC雙節點傳熱單元。墻體長度方向網格長度0.065m，截面高度方向網格長度0.05m，截面厚度方向網格長度0.025m。值得指出的是，網格劃分對計算結果有著重要影響，網格太密，計算耗時較長，網格太粗，會產生較大的誤差。為將混凝土溫度自由度與鋼筋溫度自由度耦合，可認為混凝土與鋼筋無間隙，在ABAQUS中采用束縛（Tie）約束將重合的混凝土與鋼筋點耦合。有限元模型如圖1所示。

圖1 剪力墻有限元模型

為模擬實際火災情況，分別考慮試件單面受火，四面受火的工況。對于不同的受火工況需要選擇剪力墻不同的受火面，由于ABAQUS中不同受火情況的墻面在有限元可視化界面中沒有明顯的區別，為了達到說明的目的，從溫度場后處理結果中顯示不同受火面的選取，如圖2所示。在四面受火試件中，深紅色的面均為受火面；對于單面受火試件，呈橘紅色面為受火面，而其余面均為非受火面。同時，地梁、加載梁和單面受火試件的背火面被石棉包裹，這些面在溫度場計算中，均視為不受火面，如圖2中藍色區域。

（a）四面受火試件受火面選取示意 （b）單面受火試件受火面選取示意

圖2不同受火工況下受火面的選取

在ABAQUS中受火面對流換熱系數取25 W/（m2·℃），綜合輻射系數取0.5，不受火面對流換熱系數取8 W/（m2·℃）。在分析步（Step）中選擇Heat Transfer分析步，選擇瞬態分析，總時間90min，升溫曲線采用ISO-834標準升溫曲線。為清晰的反應試件溫度場隨時間的變化，選擇固定時間步長1min。在荷載（Load）模塊中，賦予整個模型20℃的初始溫度場。

ABAQUS采用“混合法”求解，即在時域內采用有限差分網格劃分，空間域采用有限元網格劃分，實質上是有限差分法和有限元法的結合。

2.4 ABAQUS溫度場結果分析

單面受火溫度云圖如圖3所示，測點溫度時間曲線如圖4所示。表面最高溫度到達942℃，由于混凝土的熱惰性和單面受火的工況，相對高溫區域主要集中在表面，越遠離熱源，測點升溫曲線越呈現出線性，同時溫度越來越低，剪力墻截面厚度方向產生明顯的溫度梯度。

圖3 單面受火溫度云圖

圖4 單面受火ABAQUS混凝土測點溫度曲線

四面受火溫度云圖如圖5所示，測點溫度時間曲線如圖6所示。表面最高溫度到達994℃。

圖5 四面受火溫度云圖

圖6 四面受火ABAQUS混凝土測點溫度曲線

單面受火工況與四面受火工況相比較，由于四面受火，混凝土所經歷的最高溫度較單面受火高，四面受火對混凝土造成的損傷更加嚴重。

3. 結論

本文利用ABAQUS有限元軟件對剪力墻在單面受火，四面受火火災情況下溫度場的分析，計算結果清晰明確，直觀的反映了剪力墻受火90分鐘截面溫度的變化情況。證明用ABAQUS模擬構件溫度場是有效的，同時本文為進一步分析火災后剪力墻力學行為分析，加固修復措施的確立做出基礎的工作。

參考文獻

[1]章熙民，任澤霈，梅飛鳴. 傳熱學[M].北京：建筑工業出版社，2007.

[2]過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能試驗及其計算[M]. 北京：清華大學出版社，2011.

[3]European Committee for Standardization，ENV 1994-1-2， Eurocode 4， Design of Composite and Concrete Structures， Part 1.2： Structural Fire Design[S]，1994.