鋼框架內嵌鋼板剪力墻高溫抗火性能分析

米琳琳 張瀚天 姜 靜

（1.牡丹江大學土木工程學院，黑龍江 牡丹江 157011；2.佳木斯大學建筑工程學院，黑龍江 佳木斯 154000）

1 引言

20世紀初，國外已開始對鋼結構抗火性能進行研究，各國專家對火災下鋼構件和鋼結構整體進行抗火性能的試驗研究和模擬分析，取得了一定的研究成果。[1]-[3]我國對鋼結構抗火研究起步較晚，隨著鋼結構的廣泛應用，經過學者們的不懈努力，我國關于鋼材耐火時間、判斷抗火失效準則等研究逐漸成熟。但是，對于鋼板剪力墻抗火性能的研究較少，這直接影響整個結構安全性，更影響鋼板剪力墻在實際工程中的應用。本文應用ABAQUS有限元軟件建立三層三跨鋼框架內嵌鋼板剪力墻結構，研究不同位置起火對整個結構抗火性能的影響，找出受火最不利位置和薄弱構件，為抗火設計提供參考。

2 有限元方法及驗證

本文應用有限元軟件ABAQUS模擬文獻[4]中單層鋼框架火災試驗，溫度按ISO-834標準升溫曲線加載，ISO-834標準升溫曲線見圖1。

圖1 ISO-834標準升溫曲線

對比模擬結果與試驗結果（見圖2-圖4）發(fā)現(xiàn)趨勢上吻合較好，說明應用ABAQUS軟件模擬鋼結構抗火性能的可行性。溫度最大誤差在測點5的10min，誤差最大為33%，誤差原因是試驗初始溫度高于室溫，在試驗過程中試驗爐內采用燃油點燃噴火裝置，雖然升溫采用的是ISO-834升溫曲線，但爐內溫度仍是高于升溫曲線。柱頂側向位移最大誤差為25%，造成誤差的原因主要是模擬與試驗的溫度誤差導致產生的應力大小不同，此外鋼材含碳量、構件初始缺陷等也影響結果。

圖2 柱溫度-時間曲線

圖3 梁溫度-時間曲線

圖4 柱頂側向位移-溫度曲線

3 有限元分析

建立三層三跨鋼框架內嵌鋼板剪力墻結構，層高3m，跨度5.4m，鋼板尺寸5×2.64×0.01m，梁截面尺寸H360×200×10×15.8mm，柱截面尺寸H400×300×13.5×24mm，鋼材均采用Q235。對梁柱連接節(jié)點以及梁腹板限制平面外位移，梁上作用有均布荷載39kN/m，軸壓比0.4。假設材料為理想彈塑性體，鋼材容重7850kg/m3，初始彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度290MPa。鋼材的熱工性能按歐洲規(guī)范選取，[5][6]力學性能按李國強教授[7]給出的公式選取。鋼板單面受火，初始溫度為20℃，按ISO-834標準升溫曲線加載，加熱1500s。

為研究不同位置受火對整個結構抗火性能的影響，由于結構具有對稱性，因此建立六種工況，鋼板單面受火，工況設置見圖5，對比分析火災下六種工況結構變形（梁撓度、柱側向位移）和內力變化（鋼板應力）。

圖5 工況1-工況6受火示意圖

火災下，判斷鋼結構整體達到極限承載力標準為：

（1）結構喪失整體穩(wěn)定性；

（2）結構達到不適合繼續(xù)承載的變形，計算公式如下：

從火災發(fā)生到結構構件或結構整體達到極限承載狀態(tài)所用時間即為結構構件或結構整體的耐火時間。本文梁撓度限值；柱側向位移限值，即當梁撓度、柱側向位移超過對應極限值時，視為構件破壞或結構失穩(wěn)。

4 結構分析

4.1 梁撓度分析

鋼梁在常溫下無明顯變形，但隨著溫度的升高，梁撓度呈非線性變化。從圖6可知工況1、2、4、5變形趨勢一致，工況3、6趨勢一致且變形最大，這是因為工況3、6直接與梁連接，鋼板受熱膨脹對梁產生向上推力，撓度增大塑性增強。當鋼板溫度升到一定時，溫度開始由高溫部位向低溫部位傳遞，同時兩側鋼柱有側向位移對梁產生拉力抑制梁的變形。工況3、6達到變形極限0.02m時，對應的破壞時間分別是675s、608s，根據(jù)失效標準當起火點位于工況3、6時對結構最不利，梁構件破壞是由于鋼板膨脹變形導致的，雖然整個結構仍然保持受力狀態(tài)并未失穩(wěn)，但也應加強梁構件和鋼板的防火保護。

圖6 不同工況梁撓度曲線圖

圖7 不同工況柱側向位移曲線圖

4.2 柱側向位移分析

剛度隨溫度的升高而降低，從圖7可知柱側向變形越來越大，工況1、2、3變形趨勢一致且側向變形最大，原因是工況1-3位于邊跨，柱左側缺少約束，尤其是工況3位于頂層邊跨，缺少上部和左側的約束作用使得柱側向變形最大，隨著時間增長曲線有變緩趨勢說明鋼板升溫到一定時，溫度將從高溫鋼板向周圍低溫構件傳遞，鋼板膨脹變形減弱，此時柱變形趨于穩(wěn)定，側向位移分別為20.44mm、19.90mm、25.4mm，未達到變形極限，可繼續(xù)承載。工況4、5、6變形曲線呈先增大后減小趨勢，這是因為鋼板受熱膨脹對柱有側向推力，又對梁有向上推力，使得梁向上變形時對柱產生拉力，同時工況4、5、6位于結構中跨，柱變形受周圍構件約束作用。說明起火源位于邊跨，尤其是位于頂層邊跨，結構產生的側向位移最大，雖然沒達到柱變形極限，但柱為抗火關鍵構件，在抗火設計時仍需多加考慮。

4.3 鋼板受火面應力分析

圖8 不同時刻工況1應力分布云圖

不同工況應力變化具有相似性，選取工況1應力變化為例進行分析，見圖8。0s時結構處于室溫狀態(tài)，在外力作用下柱存在初始應力；受火初期，鋼板和鋼框架應力最大，隨著溫度升高傳熱加劇，應力重新分布并且分布比常溫復雜，受火結束時應力主要集中在梁柱節(jié)點，同時也是彎矩最大的地方，鋼板應力最小，這符合鋼板只承受水平荷載不承受豎向荷載的設計要求。由上述分析可知，梁柱節(jié)點是受火薄弱部位應加強節(jié)點保護；不同工況受火將增大相鄰間的應力，在做防火設計時應進行考慮。

5 結論

（1）高溫下梁撓度最大的是工況6即頂層中跨，破壞時間是608s；其次是工況3，位于頂層邊跨，破壞時間是675s。研究表明起火源越靠近梁，梁變形越大，對梁構件越不利。雖然整個結構仍然保持受力狀態(tài)并未失穩(wěn)，但也應加強梁構件和鋼板的防火保護。

（2）六種工況在高溫環(huán)境中，柱側向位移最大的工況1、2、3，分別為20.44mm、19.90mm、25.4mm，側向位移未達到變形極限，可繼續(xù)承載；工況4、5、6變形較小，說明變形與起火源位置和約束條件有關，邊跨受火對結構側向變形最不利。

（3）在外力作用下鋼板存在初始應力，受火初期鋼板和鋼框架應力最大，受火結束時應力主要集中在梁柱節(jié)點，節(jié)點對結構整體穩(wěn)定具有重要作用，應加強節(jié)點保護。