李明等

摘要：采用有限元分析軟件ABAQUS建立了腹板開孔輕鋼龍骨圍護墻體溫度場分析模型，闡述了模型中的若干關(guān)鍵問題，如受火面與背火面邊界條件，石膏板、巖棉和鋼材的熱工性能參數(shù)及材料間的接觸條件等，并將模擬結(jié)果與相關(guān)試驗結(jié)果進行對比。在此基礎(chǔ)上，分析了相關(guān)參數(shù)對腹板開孔輕鋼龍骨墻體背火面的最高溫度和平均溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：該模型可有效模擬該類墻體在火災下的溫度分布；龍骨截面高度與石膏板層數(shù)及布置方式均可在較大程度上影響墻體背火面的最高溫度與平均溫度；腹板開孔排數(shù)只對背火面最高溫度影響較大，對平均溫度則影響不大。

關(guān)鍵詞：腹板開孔輕鋼龍骨墻體；溫度場；數(shù)值模擬；火災；耐火極限

中圖分類號：TU392.5文獻標志碼：A

0引言

輕鋼龍骨墻體具有自重輕、抗震性能好、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。在傳統(tǒng)輕鋼龍骨墻體的龍骨腹板上開設(shè)狹長交錯孔洞形成腹板開孔輕鋼龍骨墻體，可有效削弱墻體內(nèi)龍骨的熱橋效應，從而提高墻體的整體保溫性能[1]，同時其抗彎性能與隔聲性能亦能滿足設(shè)計要求[2-6]。在火災下，龍骨腹板上的孔洞亦可延長龍骨腹板上熱量的傳遞路徑，延長墻體的耐火時間，進而提高墻體的抗火能力。同時，由于巖棉屬于無機材料，并且自身保溫性能較為優(yōu)越，在輕鋼龍骨墻體內(nèi)填充巖棉，既能有效提高墻體的耐火能力，又能有效保護墻體在火災作用下的完整性。

目前，各國對于輕鋼龍骨墻體抗火性能的研究相對較少，相關(guān)研究者如Feng等[7-8]、Shahbazian等[9]，Chen等[10]、計琳等[11]、陳駒等[12]、馬奇杰等[13]、Gunalan等[14]主要研究傳統(tǒng)輕鋼龍骨墻體的抗火性能，且墻體為承重構(gòu)件，針對非承重的腹板開孔輕鋼龍骨墻體的抗火性能則尚無研究報道。

本文以非承重的腹板開孔輕鋼龍骨墻體為研究對象，利用有限元分析軟件ABAQUS建立了腹板開孔輕鋼龍骨圍護墻體的溫度場分析模型，闡述了模型中的若干關(guān)鍵問題，如受火面與背火面邊界條件，石膏板、巖棉以及鋼材的熱工性能參數(shù)，材料間的接觸條件等，最后利用相關(guān)試驗驗證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，針對可能影響墻體背火面最高溫度和平均溫度的關(guān)鍵參數(shù)，如輕鋼龍骨腹板開孔排數(shù)、腹板截面高度以及石膏板層數(shù)與布置方式進行了影響分析。

1有限元分析模型

1.1標準計算單元

對于沒有門、窗洞口的輕鋼龍骨墻體，其豎向龍骨根據(jù)龍骨間距規(guī)則布置，可選用如圖1所示（h為腹板高度）的輕鋼龍骨標準截面代替整片輕鋼龍骨墻體截面，以達到降低建模難度與減少運算時間的目的。計算單元的截面寬度取非承重輕鋼龍骨墻體的常用龍骨間距600 mm[1]；巖棉取為與龍骨腹板高度等厚；石膏板厚度則根據(jù)常用規(guī)格取為12 mm；根據(jù)課題組前期研究成果[15]，龍骨腹板開孔示意如圖1（c）所示。

由于龍骨腹板開設(shè)了若干與墻高方向平行的狹長孔洞，墻體除了沿墻厚方向存在溫度梯度以外，沿墻高方向的溫度分布亦非均勻。因此，還需考慮熱量沿墻高方向的傳遞。由于熱量在墻體高度方向的傳遞具有一定的規(guī)律性，為提高計算效率，在墻體高度上僅選取300 mm的墻體單元代替整個墻體，此高度可包括3個孔長區(qū)間，經(jīng)驗證具有足夠的計算精度。

1.2熱量傳遞過程

火災作用下，熱量以對流、輻射與熱傳導3種方式從墻體受火面?zhèn)鬟f至背火面。其中，對于墻體內(nèi)的熱傳導過程，可用非穩(wěn)態(tài)傳熱的熱傳導微分方程表示，即

采用第3類邊界條件，即可知與墻體接觸的空氣溫度與換熱系數(shù)，定義模型墻體傳熱邊界。模型中，墻體受火面空氣溫度依據(jù)ISO-834標準升溫曲線確定，對流系數(shù)與輻射系數(shù)則根據(jù)歐洲規(guī)范EC1（EN 1991-1-2：2002）與EC3（EN 1993-1-2：2005）推薦分別取25 W·（m2·℃）-1和0.7；定義模型背火面邊界取室溫20 ℃，對流系數(shù)與輻射系數(shù)根據(jù)歐洲規(guī)范推薦分別取25 W·（m2·℃）-1和0.8。

1.3材料的熱工參數(shù)

選取合適的高溫下石膏板、巖棉與鋼材的熱工參數(shù)模型是進行墻體抗火模擬分析的關(guān)鍵問題之一。石膏板的熱工參數(shù)除受溫度影響以外，還與所含水分有關(guān)，為此分別選取了Feng等[7]和Wang[16]提出的高溫下石膏板的比熱容cg與導熱系數(shù)λg的計算模型，取值分別見表1和表2。因溫度對巖棉比熱容的影響不大，巖棉比熱容采用定值0.84 kJ·（kg·℃）-1，導熱系數(shù)λw則采用Wang[16]提出的高溫下巖棉導熱系數(shù)模型，見表3。表1～3中，當溫度在其特征溫度之間時，各熱工參數(shù)取值按線性插值方法計算。

1.4單元選取與接觸模擬

巖棉與石膏板采用八節(jié)點三維實體傳熱單元DC3D8，鋼龍骨采用四節(jié)點殼體傳熱單元DS4，如圖2所示。由于實際墻體中石膏板、龍骨與巖棉相互接觸較為緊密，故在模型中石膏板、龍骨與巖棉兩兩相交部分定義為綁定連接。由于龍骨腹板開設(shè)了細長孔洞，且為減少應力集中，孔洞兩端有圓弧狀過渡[圖1（c）]，使得模型的網(wǎng)格劃分極不規(guī)則。由于孔洞圓弧對墻體整體的抗火性能影響不大，為簡化分析，在單元劃分時在龍骨腹板沿孔洞兩側(cè)進行通長分割，即忽略了孔洞圓弧影響，形成相對規(guī)則的矩形區(qū)域。

2模型驗證

收集了Feng等[7]研究者于2003年開展的ISO-834標準火災作用下輕鋼龍骨圍護墻體溫度場的實測數(shù)據(jù)，用以驗證本文所建立的有限元模型的正確性與有效性。試件截面寬度均為600 mm，試件a龍骨截面高度為100 mm，卷邊尺寸為15 mm，龍骨兩側(cè)各附單層石膏板；試件b龍骨截面高度為104 mm，無卷邊，龍骨兩側(cè)各附2層石膏板，石膏板厚度為12.5 mm。圖3為2個試件墻體截面形式與測點布置。

依據(jù)Feng等試驗中的試件幾何尺寸進行輕鋼龍骨墻體的幾何建模；邊界條件及受火面與背火面的換熱條件按文獻[7]中2.2部分確定；高溫下石膏板、巖棉與鋼材的熱工參數(shù)模型按文獻[7]中2.3部分選取。計算獲得的全部測點在ISO-834標準火災作用下的溫度-時間關(guān)系曲線分別如圖4和圖5所示?？紤]到火災試驗的復雜性和數(shù)據(jù)的離散性，本文模型的計算結(jié)果與Feng等的試驗數(shù)據(jù)整體吻合較好，與文獻[7]提供的數(shù)值模擬結(jié)果亦較為接近，說明所建立的有限元分析模型可用于腹板開孔輕鋼

3參數(shù)分析

中國現(xiàn)行國家標準《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50045—1995：2005）中對建筑外墻的耐火極限要求為1 h，其中，耐火極限是指任一建筑構(gòu)件承受標準火災時，從受到火的作用時刻起，到失去穩(wěn)定性、完整性或絕熱性為止的時間。對于墻體這類非承重構(gòu)件，主要以絕熱性為控制條件，即要求其背火面單點最高溫度不超過180 ℃且背火面平均溫度不超過140 ℃。

利用上文建立的有限元模型分別對腹板開孔輕鋼龍骨墻體背火面最高溫度以及墻體背火面平均溫度進行分析，參數(shù)包括龍骨腹板開孔排數(shù)、龍骨截面高度、石膏板層數(shù)與布置方式。

3.1龍骨腹板開孔排數(shù)

為了研究龍骨腹板上不同的開孔排數(shù)對背火面溫度的影響，針對腹板高度h=100 mm的輕鋼龍骨墻體模型，在其上分別開設(shè)0～6排孔洞，進行了龍骨開孔排數(shù)n與火災下墻體背火面溫度之間的規(guī)律分析，結(jié)果見圖6。由圖6（a）可以看出，龍骨腹板開孔排數(shù)對墻體背火面最高溫度影響較大，龍骨腹板開孔排數(shù)越多，墻體背火面最高溫度則越低，但當龍骨腹板開孔排數(shù)超過5排時，開孔排數(shù)對墻體背火面最高溫度的影響較小，因此，繼續(xù)增加開孔排數(shù)對墻體抗火性能的提高幅度不顯著。

文獻[17]定義了一個用以反映龍骨腹板開孔程度的參數(shù)——開孔比例β，即腹板開孔范圍L與腹板高度h的比值，如圖7與公式（5）所示

研究結(jié)果表明[17]，當開孔比例為50%時，可有效降低腹板開孔墻體的熱橋效應，進而降低了墻體的傳熱系數(shù)。當開孔比例超過50%時，傳熱系數(shù)雖有進一步降低，但降低幅度較小。對應本文的計算模型，開孔排數(shù)為5排且腹板高度為100 mm的輕鋼龍骨，其開孔比例亦近似等于50%。因此，綜合墻體的保溫性能與抗火性能，建議龍骨開孔比例取為50%。

對于墻體背火面的平均溫度，開設(shè)孔洞對其影響可以忽略，如圖6（b）所示。這是因為孔洞雖可起到降低墻體熱橋效應的作用，但其影響范圍僅為龍骨翼緣對應的背火面局部區(qū)域及相鄰區(qū)域，因此對墻體整體溫度影響不大。

需要說明的是，雖然在此算例中，無論是墻體背火面的最高溫度還是平均溫度在受火1 h范圍內(nèi)均低于耐火極限所規(guī)定的溫度限值，但在實際火災時，受火面石膏板易出現(xiàn)開裂剝落等現(xiàn)象，而開裂與剝落的發(fā)生時間具有較大的隨機性和不確定性，很難用有限元模型進行模擬。因此在進行該類墻體抗火設(shè)計時，應留有足夠的余量。

3.2龍骨截面高度

對于輕鋼龍骨墻體，在實際工程中通常采用不同的龍骨截面高度以適應不同的建筑功能需求。根據(jù)工程中常用的龍骨截面高度，確定參數(shù)分析中采用的龍骨截面高度分別取100 mm（5排孔）、150 mm（7排孔）與200 mm（9排孔），其中開孔排數(shù)根據(jù)開孔比例為50%的原則確定。圖8為墻體背火面最高溫度和平均溫度隨受火時間的變化曲線。由圖8可見，龍骨截面高度對背火面的最高溫度和平均溫度均影響較大，即龍骨截面高度越高，背火面的最高溫度和平均溫度越低。當龍骨腹板高度為200 mm時，墻體背火面溫度接近室溫。由此可見，該類墻體在火災下的絕熱性較好。

3.3石膏板層數(shù)

在某些特殊情況下，實際工程中常會采用在輕鋼龍骨墻體兩側(cè)設(shè)置不同層數(shù)石膏板來達到提高防火性能或隔聲性能等目的。為了研究墻體石膏板層數(shù)與墻體內(nèi)溫度場之間的關(guān)系，針對龍骨截面高度為100 mm的墻體模型，改變其受火面石膏板層數(shù)（1，2層）與背火面的石膏板層數(shù)（1，2層），分析石膏板層數(shù)與布置方式對火災下墻體背火面溫度的影響，結(jié)果見圖9。圖9中每個圖例的第1個數(shù)字代表受火面石膏板層數(shù)，第2個數(shù)字代表背火面石膏板層數(shù)。

由圖9可見，石膏板層數(shù)與布置方式對墻體背火面最高溫度與平均溫度影響均較大。整體上，墻體背火面溫度隨墻體石膏板總層數(shù)的增加而降低，當石膏板總層數(shù)相同時，在受火60 min范圍內(nèi)，將更多的石膏板布置在墻體受火側(cè)對降低墻體背火面最高溫度與平均溫度更為有效。4結(jié)語

（1）在不考慮火災下受火面墻體石膏板開裂的前提下，腹板開孔輕鋼龍骨墻體具有較好的抗火性能。對于墻體兩面設(shè)有單層石膏板且龍骨腹板高度為100 mm的墻體（墻體總厚度為124 mm），其背火面的最高溫度和平均溫度可低于1 h耐火極限所規(guī)定的溫度限值。

（2）相關(guān)參數(shù)的影響分析表明：龍骨截面高度與石膏板層數(shù)及布置方式均可在較大程度上影響腹板開孔輕鋼龍骨墻體背火面的最高溫度與平均溫度；腹板開孔排數(shù)對墻體背火面最高溫度影響較大，但對墻體背火面平均溫度則影響不大。

（3）當石膏板總層數(shù)相同時，在受火60 min范圍內(nèi)，將更多的石膏板布置在墻體受火側(cè)對降低墻體背火面最高溫度與平均溫度更為有效。

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