【摘要】隨著高層建筑的大量涌現(xiàn)，燃?xì)?、電器大?guī)模普及以及施工過程中不當(dāng)?shù)牟僮?，高層建筑火?zāi)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(guī)律，結(jié)果表明用有限元模擬剪力墻火災(zāi)下溫度場的分析是有效合理的，模擬為進(jìn)一步進(jìn)行火災(zāi)后剪力墻力學(xué)性能分析與加固修復(fù)措施的確立創(chuàng)造了條件。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)抗火，ABAQUS，剪力墻，溫度場

引言

剪力墻結(jié)構(gòu)因其抗震性能好而被廣泛運用。剪力墻不僅在建筑上發(fā)揮防火墻的功能，而且在結(jié)構(gòu)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(dǎo)致剪力墻強(qiáng)度、剛度下降，削弱其抗震能力。另一方面，剪力墻的受力狀態(tài)卻不會改變溫度場的分布。因此可以獨立分析剪力墻構(gòu)件的溫度場分布，再分析火災(zāi)后剪力墻的力學(xué)性能。同時，溫度場的確定在正確評定火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的損傷程度，制定合理的加固修復(fù)措施起著重要作用。

本文基于ABAQUS有限元軟件對剪力墻構(gòu)件溫度場進(jìn)行分析，為今后火災(zāi)后剪力墻的力學(xué)性能分析提供基礎(chǔ)。

1.有限元計算原理

1.1 瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程

結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)，周圍熱氣流層以輻射和對流的方式向混凝土表面?zhèn)鬟f熱量，使構(gòu)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(nèi)部傳遞。由于混凝土是熱惰性材料，因此在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成不均勻的溫度分布，形成溫度梯度，又隨著火災(zāi)持續(xù)時間發(fā)生變化，是一個瞬態(tài)溫度場。混凝土內(nèi)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(shù)，W/（m·℃），T為溫度，℃，t為時間，s。

1.2 初值條件與邊界條件

火災(zāi)開始前，構(gòu)件處在環(huán)境溫度狀態(tài)，可認(rèn)為整個構(gòu)件溫度均勻，等于環(huán)境溫度T0。初值條件可用下式表述：

（2）

火災(zāi)發(fā)生后，構(gòu)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(huán)境與邊界之間的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃），hr為環(huán)境與邊界之間的輻射換熱系數(shù)，Tf為構(gòu)件邊界絕對溫度，℃，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，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(gòu)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?；炷翢峁ば阅芸捎孟率奖磉_(dá)[2] ：

導(dǎo)熱系數(shù)： （4）

比熱： （5）

密度：：ρc=2400kg/m3 （6）

鋼筋熱工性能可用下式表達(dá)[3] ：

導(dǎo)熱系數(shù)： （7）

（8）

比熱：

（9）

（10）

（11）

（12）

密度：ρs=7800kg/m3

2.2 升溫曲線

火災(zāi)發(fā)生對構(gòu)件的影響可采用國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO834建議的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)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(zāi)持續(xù)時間。

2.3 ABAQUS溫度場模擬

在有限元模擬中，剪力墻構(gòu)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(hù)層厚度15mm。 墻身雙層雙向配筋A(yù)6@100，豎向配筋率ρsv，ρsh均為0.60%，暗柱配筋4B12，暗柱箍筋A(yù)6@100，頂梁配筋4B18，頂梁箍筋A(yù)8@100，地梁配筋10B18，地梁箍筋A(yù)8@100。構(gòu)件溫度場分析采用ABAQUS/Standard模塊，混凝土采用采用DC3D8八節(jié)點傳熱單元，鋼筋采用DC1DC雙節(jié)點傳熱單元。墻體長度方向網(wǎng)格長度0.065m，截面高度方向網(wǎng)格長度0.05m，截面厚度方向網(wǎng)格長度0.025m。值得指出的是，網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果有著重要影響，網(wǎng)格太密，計算耗時較長，網(wǎng)格太粗，會產(chǎn)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(rèn)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(zāi)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(qū)別，為了達(dá)到說明的目的，從溫度場后處理結(jié)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(lán)色區(qū)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(shù)取25 W/（m2·℃），綜合輻射系數(shù)取0.5，不受火面對流換熱系數(shù)取8 W/（m2·℃）。在分析步（Step）中選擇Heat Transfer分析步，選擇瞬態(tài)分析，總時間90min，升溫曲線采用ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。為清晰的反應(yīng)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(nèi)采用有限差分網(wǎng)格劃分，空間域采用有限元網(wǎng)格劃分，實質(zhì)上是有限差分法和有限元法的結(jié)合。

2.4 ABAQUS溫度場結(jié)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(dá)942℃，由于混凝土的熱惰性和單面受火的工況，相對高溫區(qū)域主要集中在表面，越遠(yuǎn)離熱源，測點升溫曲線越呈現(xiàn)出線性，同時溫度越來越低，剪力墻截面厚度方向產(chǎn)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(dá)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(jīng)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(yán)重。

3. 結(jié)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(zāi)情況下溫度場的分析，計算結(jié)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(gòu)件溫度場是有效的，同時本文為進(jìn)一步分析火災(zāi)后剪力墻力學(xué)行為分析，加固修復(fù)措施的確立做出基礎(chǔ)的工作。

參考文獻(xiàn)

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

[2]過鎮(zhèn)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(xué)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.