王中強，周錚

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114）

0 引言

在我國經(jīng)濟飛速發(fā)展和商業(yè)需求不斷擴增的背景下，高層與超高層結(jié)構(gòu)應用愈加廣泛，常用于高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻以及筒體結(jié)構(gòu)也與實際工程的聯(lián)系越來越緊密。 而在實際建筑工程中，因設計功能的改變和房屋裝修的需要，常常會碰到對剪力墻開洞的情況。剪力墻作為剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)以及核心筒結(jié)構(gòu)中的主要抗側(cè)力構(gòu)件，對其開設洞口，不僅會削弱剪力墻自身抗側(cè)移能力，而且會影響原有結(jié)構(gòu)性能。

目前，全國各地的火災發(fā)生頻率越來越高，且隨著建筑物高度的增加，火災造成的危害也更加嚴重。 火災不僅會嚴重損害人們的生命財產(chǎn)，而且會對建筑結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷，因此，對火災后的結(jié)構(gòu)使用評估尤為重要。 現(xiàn)階段人們對于常溫下的剪力墻力學性能進行了大量的實驗及研究，但對剪力墻受火以及受火后力學性能的損傷研究較少。

本文以某實際結(jié)構(gòu)中一片一字型開洞剪力墻為研究對象，采用Abaqus 有限元分析軟件， 在溫度場理論分析的基礎上建立了開洞剪力墻模型， 并分別考慮了單面受火和雙面受火的情況，通過數(shù)值計算對比受火面對開洞剪力墻溫度場的影響。 分析結(jié)果可為進一步進行高溫下剪力墻力學性能分析與火災后修復加固提供參考。

1 溫度場分析理論基礎

1.1 計算假設

本文在對受熱混凝土剪力墻溫度場進行分析時，采取如下假設：

（1） 混凝土各個方向均質(zhì)、同性，且內(nèi)部不產(chǎn)生熱量；

（2） 忽略混凝土內(nèi)部水的遷移、蒸發(fā)以及質(zhì)量密度改變的影響；

（3） 不考慮熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)化耦合，即忽略材料應力、應變的機械作用轉(zhuǎn)化涉及的小部分熱量；

（4） 熱傳遞時忽略鋼筋影響。

1.2 高溫下材料相關(guān)熱工參數(shù)

（1） 質(zhì)量密度

隨著溫度的升高，混凝土內(nèi)部水分會因蒸發(fā)減少，導致混凝土質(zhì)量密度有微弱減少。 本文對質(zhì)量密度的變化采取文獻[1]所用公式：

為簡化計算，本文取為常數(shù)Pc(T)=2300 (kg/m3)

（2） 比熱容

單位質(zhì)量的混凝土在溫度降低或者升高1℃所放出或吸收的熱量即為混凝土的比熱容。本文對混凝土的比熱容采用文獻[2]所用公式：

（3） 熱傳導率

熱傳導率又被稱為導熱系數(shù)，是指材料單位體積下，在單位時間和單位溫度差異下傳導的能量。本文對混凝土的導熱系數(shù)采用文獻[3]所述表達式：

（4） 熱膨脹系數(shù)

隨著溫度的改變，物質(zhì)體積會發(fā)生膨脹和收縮現(xiàn)象。 因此在研究混凝土受熱時，本文對混凝土的熱膨脹系數(shù)采用文獻[4]所用公式：

1.3 邊界條件

分析剪力墻受火這個物理過程時， 除了溫度控制方程外，還需要給定初始條件和邊界條件。 因此，本文給定初始時刻的溫度分布為：

本文在溫度場計算中，初始環(huán)境溫度取20℃。 受火邊界條件主要分為以下三類[5]：

（1） 第一類定解條件：已知構(gòu)件表面的溫度與時間的關(guān)系函數(shù)

（2） 第二類定解條件：已知受火面的表面熱流密度大小

（3） 第三類定解條件：已知熱輻射和受火面邊界對流條件

本剪力墻結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件的受火面采用第三類定解條件，與受火面接觸的環(huán)境溫度變化情況取ISO-834 標準升溫曲線；背火面的初始溫度不隨時間改變，因此取為第一類邊界條件，大小值取常溫（即20℃）?；炷帘砻婧痛髿獾臒峤粨Q系數(shù)大小主要取決于空氣流動的快慢，系數(shù)數(shù)值在20～80（W/m℃）區(qū)間內(nèi)。對于本文采用的混凝土剪力墻模型，要分別考慮單雙面受火。 由于空氣流動速度快，受火面取 h=25（W/m℃），背火面取 h=15（W/m℃）[6]。 而對于熱輻射傳遞，剪力墻模型受火側(cè)的熱輻射系數(shù)取0.8，背火側(cè)取0.1。

1.4 標準升溫曲線

ISO-834 標準升溫曲線是在大量建筑火災的基礎上分析得到的，對火災模擬和火災試驗有重要的參考意義，其表達公式如下：

其中，T 為隨受火時間變化的溫度；T0為環(huán)境溫度；t 為受火時間。 在Abqus 中根據(jù)標準升溫曲線建立的振幅曲線如圖1 所示。

圖1 根據(jù)標準升溫曲線建立的振幅曲線

2 有限元模型建立及結(jié)果分析

2.1 模型建立

本文建立的一字型剪力墻模型取自某高層結(jié)構(gòu)中， 剪力墻的高度為 3000mm， 墻肢的厚度為 200mm， 剪力墻肢長為500mm，且設有1000mm 寬的門洞，連梁高度為 400mm，混凝土等級采用C30。受火方式分別考慮單側(cè)和雙側(cè)受火， 受火面采用國際標準升溫曲線進行升溫， 背火面采用標準環(huán)境溫度20℃。 具體有限元模型詳見圖2。

圖2 剪力墻模型正面圖

模型建立時， 傳熱單元選用混凝土 DC3D8 八節(jié)點六面體[7]。 進行有限元分析時，劃分模型網(wǎng)格越精確， 分析結(jié)果越接近實際。 但是網(wǎng)格劃分越密，計算效率越低，因此，本文在綜合考慮精密度、計算效率等因素后， 選取10mm 的網(wǎng)格尺寸進行有限元分析，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 剪力墻模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 溫度場結(jié)果分析

2.2.1 雙面受火溫度場分析

雙側(cè)受火60min 后，剪力墻連梁跨中截面溫度分布云圖如圖4 所示，受火120min 后的連梁截面溫度分布云圖如圖5 所示。 為了進一步分析截面節(jié)點高度對溫度的影響，本文以連梁跨中截面節(jié)點為對象，分析溫度分布情況，其溫度與時間變化的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖4 60min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

圖5 120min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

圖6 剪力墻連梁處截面節(jié)點溫度變化圖

雙面受火的剪力墻墻肢跨中截面在60min 時的截面溫度分布云圖如圖7 所示，120min 時的截面溫度分布云圖如圖8 所示。

圖7 60min 時剪力墻豎向截面溫度分布云圖

圖8 120min 時剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

2.2.2 單面受火溫度場分析

單側(cè)受火60min 后，剪力墻連梁跨中截面的溫度分布云圖如圖9 所示，受火120min 時的截面溫度分布云圖如圖10 所示。 連梁跨中截面節(jié)點高度對溫度的影響與雙面受火情況基本相同，因此不再重復。

圖9 60min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

圖10 120min 時連梁跨中截面溫度分布云圖

單面受火的剪力墻肢跨中截面在60min 時的截面溫度分布云圖如圖11 所示，120min 時的截面溫度場如圖12 所示。

圖11 60min 時剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

圖12 120min時剪力墻肢豎向截面溫度分布云圖

2.2.3 單面受火與雙面受火對比分析

相同的熱工條件下對有限元模型升溫120min 后， 單側(cè)受火情況下，剪力墻肢內(nèi)部溫度差異較大，且受火面與背火面熱度差異較為明顯；雙側(cè)受火情況下，剪力墻肢內(nèi)部溫度差異比較小，節(jié)點與受火面的距離大小與節(jié)點溫度間關(guān)系密切。 對比兩種受火方式的剪力墻肢中心測點溫度，發(fā)現(xiàn)單面受火下的溫度為144℃，雙面受火下的溫度為165℃，雙面受火溫度高于單面受火11℃。而在連梁處，雙面受火下連梁跨中截面的中心測點溫度相比于單面受火情況下，要高出24℃左右?？梢娫陔p面受火的情況下，剪力墻肢和連梁中心區(qū)域溫度比單面受火更高，且兩種受火情況下連梁跨中截面溫度比剪力墻肢跨中截面溫度差異更大。

3 結(jié)論

本文給定了溫度場的計算假設，考慮了熱傳遞的三種基本方式， 應用有限元分析軟件Abaqus 對開洞剪力墻進行了溫度場模擬分析，并對單面受火和雙面受火兩種情況進行對比，根據(jù)溫度場分布情況，得出結(jié)論如下：

（1） 剪力墻在火災作用下，墻肢內(nèi)各個節(jié)點升溫曲線略微滯后于標準升溫曲線，但總體變化趨勢與升溫曲線接近。 墻肢內(nèi)節(jié)點與受火面垂直距離相同時，溫度基本相同。 但離受火面越近，溫度梯度的差異越大。

（2） 其余條件相同，在受火時間分別取 60min 和 120min 的情況下，發(fā)現(xiàn)受火時間的增加，會使得墻肢截面溫度梯度減小，說明受火條件對截面溫度分布影響很大。

（3） 其余條件相同，取不同受火面的情況下，發(fā)現(xiàn)雙面受火的剪力墻中心溫度比單面受火的溫度要高，且連梁跨中截面處的溫度差異比墻肢中間的溫度差異更大。