吳泉霖，何 軍，劉金松

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510010）

關(guān)鍵字：耐火極限；隔熱層；鋼箱混凝土剪力墻；高溫；火災(zāi)行為

0 前言

在日常生活中，火源、燃燒物無處不在，火災(zāi)發(fā)生幾率很高。超高層建筑為人員密集場所，若發(fā)生火災(zāi)會嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全，對環(huán)境產(chǎn)生影響，造成嚴重的社會問題。

超高層建筑常采用鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)，其中抗側(cè)力關(guān)鍵構(gòu)件一般為塔樓中部的核心筒，而鋼箱混凝土剪力墻承載力高，延性優(yōu)異，在超高層結(jié)構(gòu)核心筒中應(yīng)用具有獨特優(yōu)勢。但鋼材屈服強度、彈性模量隨溫度升高會明顯降低，在火災(zāi)的高溫作用下，鋼或外包鋼混凝土組合構(gòu)件達到一定溫度后易迅速屈曲失效導致建筑的倒塌，耐火性能不足，需采取有效的防火措施［1，2］。

1 工程概況

某超高層建筑位于廣州市白云新城中央商務(wù)區(qū)，項目占地面積2.33 萬m2，總建筑面積為19.4 萬m2，地下4層，地上36層，為超大型綜合建筑，集商業(yè)、娛樂、高檔辦公樓于一體，1～6層裙房為商業(yè)、銀行、餐廳、會議中心，7～36 層塔樓為寫字辦公樓，其中主塔樓高150 m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計基本地震加速度值0.10 g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類型為Ⅱ類?；撅L壓值為0.50 kN/m2。塔樓外框筒由鋼管混凝土柱-鋼梁組成，核心筒墻體均采用鋼箱混凝土剪力墻，核心筒與外框筒采用U 型鋼-混凝土組合梁進行連接。建筑實景如圖1 所示，標準層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 建筑實景Fig.1 The Photo of the Building

2 防火方案選擇

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范:GB 50016-2014》，本工程屬于一類公共建筑，核心筒鋼箱混凝土剪力墻構(gòu)件耐火等級為一級，耐火極限為3 h。

目前鋼或鋼-混凝土組合構(gòu)件的防火做法常用的有以下幾種:

圖2 塔樓標準層結(jié)構(gòu)平面Fig.2 The Standard Floor Plan of the Tower

⑴外包防火層。采用預制防火板或不燃燒且熱容量大的材料，如現(xiàn)澆混凝土或防火砂漿外包覆被保護構(gòu)件，在火災(zāi)時隔離熱源，從而提高這些構(gòu)件的耐火極限。

⑵防火涂料。防火涂料分為膨脹型（薄涂型）和非膨脹型（厚涂型），膨脹型防火涂料在高溫時能迅速膨脹，形成數(shù)十倍的泡沫碳質(zhì)層，能有效隔絕火源，由于薄涂型施工簡便，裝飾效果好，在工程實踐中應(yīng)用越來越多。

⑶疏導法。疏導法允許鋼材受熱升溫，但是通過技術(shù)手段將熱量及時傳導出去，使構(gòu)件溫度不至于達到臨界溫度，從而起到保護作用。然而這種防火手段對設(shè)計要求比較高，此種做法應(yīng)用較少。

⑷耐火鋼。通過在鋼材中加入微量的Cr、Mo、Nb 等稀有元素，制成耐高溫的新型耐火鋼材，可以在溫度高達600 ℃時屈服強度依然能保證常溫時的2/3以上。采用耐火鋼的結(jié)構(gòu)，可以大大減少防火涂層厚度甚至取消防火涂層，節(jié)省成本。

采用防火涂料或防火板對鋼構(gòu)件進行防火保護是常見的做法，這方面研究也已很成熟［3］，但防火涂料或防火板造價高，且對施工工藝要求較高，施工速度偏慢，也不利于后期裝修作業(yè)。為保證施工進度，綜合考慮造價及后期裝修施工、物業(yè)維護便利性等因素，本項目鋼箱混凝土剪力墻采用表面噴涂普通砂漿保護層作為防火隔熱層，砂漿強度為M7.5，厚度為70 mm，通過掛網(wǎng)批蕩方式進行施工。為了防止砂漿保護層受火時明顯開裂，砂漿內(nèi)設(shè)置內(nèi)外2層鋼筋網(wǎng)。防火層具體做法大樣如圖3所示。

砂漿防火層施工工序如下:表面除銹?焊接固定栓釘?披掛底層鋼筋網(wǎng)?披掛面層鋼筋網(wǎng)?綁扎固定?70 mm分層噴涂砂漿?找平。

施工現(xiàn)場如圖4所示。

鋼箱混凝土剪力墻作為關(guān)鍵的豎向受力構(gòu)件，鋼板外包面積大，但厚度較薄，與常規(guī)鋼混凝土組合構(gòu)件不同，目前對其耐火極限性能研究較少，有必要通過定量分析驗證該防火做法的有效性以提供設(shè)計依據(jù)。

圖3 鋼箱混凝土剪力墻防火層做法大樣Fig.3 The Detail of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall

圖4 鋼箱混凝土剪力墻防火層施工現(xiàn)場Fig.4 The Construction Site of the Fire Insulation Layer of Concrete Filled Steel Box Shear Wall

3 砂漿保護層防火性能分析

3.1 幾何模型

幾何模型取代表性的一段鋼箱混凝土剪力墻，如圖5 所示。計算單元墻厚500 mm，長3 500 mm，高1 600 mm，鋼板采用Q345鋼材，外包鋼板厚度10 mm，內(nèi)部加勁隔板厚度為8 mm。鋼箱腔體中填充高強混凝土，強度等級為C60。

圖5 外包鋼板混凝土剪力墻計算單元Fig.5 The Calculation Unit of Concrete Filled Steel Box Shear Wall

3.2 鋼材的熱工參數(shù)3.2.1 導熱系數(shù)

鋼材的導熱系數(shù)因鋼材種類不同而略有不同，但除不銹鋼等特殊鋼材外，導熱系數(shù)基本接近，學者Lie T T［4］提出鋼材導熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式為:

式中，導熱系數(shù)單位為W/（m·℃）。

3.2.2 比熱與容重

鋼材的容重基本不隨溫度變化，一般取ρs=7 850 kg/m3。鋼材在725℃時，內(nèi)部顆粒成分發(fā)生變化，比熱增加。文獻［4］給出的鋼材比熱與容重乘積的關(guān)系式如下:

式中:比熱的單位為J/（kg·℃）。

3.3 混凝土的熱工參數(shù)

3.3.1 導熱系數(shù)

混凝土的導熱系數(shù)主要取決于各組成成分的熱傳導率，主要影響因素為骨料含量和含水量，文獻［4］提出的混凝土導熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式為:

式中:導熱系數(shù)單位為W/（m·℃）。

3.3.2 比熱與容重

混凝土在高溫狀態(tài)下，因為自由水的蒸發(fā)，容重會略有降低，但是可以認為基本不隨溫度變化，一般取ρc=2 350 kg/m3。文獻［4］給出的混凝土比熱與容重乘積的關(guān)系式如下:

式中，比熱的單位為J/（kg·℃）。

3.4 普通砂漿的熱工參數(shù)

普通砂漿的熱工參數(shù)如下:導熱系數(shù)為1.03 W/（m·℃），質(zhì)量熱容為840 J/（kg·℃），密度為1 780 kg/m3。

3.5 邊界條件

火災(zāi)作用下，外界空氣向結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠岱绞街饕菬釋α骱蜔彷椛洌Y(jié)構(gòu)內(nèi)部傳熱方式則主要是熱傳導。假定砂漿保護層和鋼板之間，鋼板和混凝土之間均為理想傳熱條件，且鋼箱混凝土剪力墻處于四面受火狀態(tài)，參考ECCS中的取值，熱對流系數(shù)在受火面取25 W/（m·℃），熱輻射系數(shù)取0.5，并在Abaqus 軟件中定義絕對零度為-273 ℃，定義Stefan-Boltzmann 常數(shù)為5.669 7×10-8。

火災(zāi)下熱邊界條件中環(huán)境溫度變化曲線按ISO-834 標準升溫曲線［5］，如圖6 所示，受火邊界條件假定如圖7、圖8所示。

3.6 溫度計算結(jié)果分析

將不設(shè)置普通砂漿保護層的鋼箱混凝土剪力墻與設(shè)置70 mm 厚普通砂漿保護層的鋼箱混凝土剪力墻進行對比分析，受火200 min 時溫度場的計算結(jié)果云圖分別如圖9所示。

由圖9 可發(fā)現(xiàn)，受火200 min 后，未設(shè)置保護層的鋼箱混凝土剪力墻，溫度由外向內(nèi)逐漸升高，由于鋼材的導熱性能良好，溫度最高的部位集中在鋼箱的四個角部區(qū)域和中間鋼隔板處，鋼箱外圍一圈的溫度和火災(zāi)溫度相同，達到1 125 ℃。鋼箱中間隔板溫度最低點位于中間區(qū)域，溫度達到280 ℃?；炷恋膶嵝阅茌^差，平均溫度相對較低，但是各個腔體內(nèi)緊貼外圍鋼板的混凝土溫度達到了1 000 ℃，距離外圍鋼板一定距離后，混凝土溫度快速下降至500 ℃左右，內(nèi)部核心區(qū)范圍混凝土溫度較低，不到100 ℃。

圖6 ISO-834標準升溫曲線Fig.6 The ISO-834 Standard Temperature Rise Curve

圖7 模型受火環(huán)境條件Fig.7 The Model's Fire Environment Condition

圖8 模型傳熱邊界條件Fig.8 The Model's Heat-transfer Boundary Condition

圖9 鋼箱混凝土剪力墻溫度云圖（受火200min）Fig.9 The Temperature Cloud Chart of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall（200 Mins under Fire）

鋼板表面噴抹70 mm 厚水泥砂漿后，由于砂漿的隔熱作用，鋼箱混凝土剪力墻整體上溫度大大降低。受火200 min 后仍是外圈鋼板溫度最高，角點的溫度達到630 ℃，平均溫度在450 ℃左右。內(nèi)部混凝土則除了緊貼鋼板的小范圍薄層混凝土溫度較高外，大部分區(qū)域的溫度均低于200 ℃。對比可知，砂漿保護層能有效隔離熱源，使得鋼箱混凝土剪力墻在同樣條件的火災(zāi)作用下構(gòu)件溫度大大降低。圖10 為設(shè)置70 mm 厚普通砂漿保護層后，鋼箱混凝土剪力墻在火災(zāi)作用下局部放大后的溫度云圖。

圖10 70mm厚砂漿保護層鋼箱混凝土剪力墻局部放大溫度云圖Fig.10 The Enlarged Temperature Cloud Chart of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall with 70 mm Mortar Layer

4 設(shè)置砂漿保護層鋼箱混凝土剪力墻耐火極限性能分析

4.1 耐火極限性能分析的有限元模型定義

耐火極限分析采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 進行，采用順序熱力耦合的方式，首先建立火災(zāi)下鋼箱混凝土剪力墻的耐火性能有限元分析模型，然后進行火災(zāi)下的鋼板剪力墻熱分析，得出構(gòu)件溫度場，再將分析得出的溫度場結(jié)果作為荷載耦合入計算模型進行靜力分析，得出外包鋼板混凝土組合剪力墻采用普通砂漿作為防火保護層的耐火極限及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形［6，7］。

分析時截取長1 500 mm、高1 600 mm 的鋼箱混凝土剪力墻進行分析計算，構(gòu)件劃分為3 維實體單元［8］。受火條件詳見本文第3 節(jié)，鋼板混凝土剪力墻抗震等級為二級，軸壓比偏保守取為抗震等級二級時剪力墻構(gòu)件的極限值0.6，相應(yīng)豎向荷載為29 000 kN。鋼箱混凝土剪力墻分析時只考慮鋼板和混凝土參與受力，砂漿保護層只看作附加在構(gòu)件表面的荷載，不考慮其對構(gòu)件承載力的貢獻。

由于溫度不斷升高時，鋼材和混凝土的力學行為也在不斷變化，與正常工作狀態(tài)下的力學性能不同，需對鋼材及混凝土在升溫過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行定義。

4.2 鋼材的熱力學性能

高溫下鋼材的力學性能與常溫下力學性能相去甚遠，普通鋼材在超過400 ℃后屈服強度開始降低，在900 ℃以上幾乎完全喪失承載能力。為了模擬鋼材的熱力學性能，采用歐洲規(guī)范《EN 1993-1-2:2005》［9］中建議的高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達式:

其中，εp（T）=fp（T）/Es（T），εy（T）=0.02，εt（T）=0.15，εu（T）=0.2，a2=［εy（T）-εp（T）］［εy（T）-εp（T）+c/Es（T）］，b2=c［εy（T）-εp（T）］Es（T）+c2，c=［fy（T）-fp（T）］2/｛［εy（T）-εp（T）］Es（T）-2［fy（T）-fp（T）］｝。

鋼材的熱膨脹系數(shù)采用文獻［4］提出的公式:

4.3 混凝土的熱力學性能

混凝土在高溫下的本構(gòu)曲線采用Lie提出的公式:

其中，εmax=0.002 5+（6T+0.04T2）×106，

混凝土的熱膨脹系數(shù)按照歐洲規(guī)范《EN1992-1-2:2004》［7］或者文獻［4］建議的6×10-6。

4.4 耐火極限判定方法

耐火極限的判定方法參考《建筑構(gòu)件耐火試驗方法:GB/T 9977.1-2008》［10］中的規(guī)定，當滿足以下條件時即判斷試件達到耐火極限:

⑴試件軸向壓縮變形量達到1%L（模型高1 600 mm，即軸向變形達到16 mm）；

⑵試件軸向壓縮變形速率達到0.3%L/min；

⑶試件無法繼續(xù)承擔所施加的設(shè)計荷載。

4.5 耐火極限計算結(jié)果

軸向施加29 000 kN 荷載后，鋼板混凝土剪力墻豎向壓縮變形為-0.66 mm，然后繼續(xù)在火災(zāi)作用下受火200 min。軸向壓力在受火過程一直保持29 000 kN沒有變化，由于材料的熱膨脹作用，豎向變形先是反向增加至+1.17 mm，繼而由于材料在高溫狀態(tài)下工作性能下降，豎向壓縮變形不斷增大，最終200 min 時的軸向變形為-0.6 mm。軸向壓縮變形量及軸向壓縮變形速率均遠小于規(guī)定的耐火極限值，而且軸壓力及設(shè)計荷載也保持不變，即構(gòu)件無繼續(xù)承擔所施加的設(shè)計荷載。因此可以認為鋼箱剪力墻在保護層的保護下，能夠保持正常工作至少3 h，滿足規(guī)范要求的3 h 耐火極限要求［11］。

5 結(jié)論及展望

本文對某超高層建筑鋼箱混凝土剪力墻提出了采用70 mm 厚普通砂漿作為防火層隔熱層的防火做法，利用ABAQUS 軟件對鋼箱混凝土剪力墻構(gòu)件進行了熱力學仿真分析，驗證了設(shè)置一定厚度普通砂漿保護層的鋼箱混凝土剪力墻，在火災(zāi)作用下能滿足規(guī)范要求的耐火極限，該防火措施施工簡便，節(jié)省造價，節(jié)約工期，可在類似項目中參考使用。