薛濤　徐凱

摘 要 本文主要對超高層建筑剪力墻的結構設計提出改進?，F(xiàn)有的超高層建筑材料出于對材料成本的考慮，一般都采用防火性能較為優(yōu)越的普通材料。而這種材料卻存在著一些缺陷，例如承受荷載能力稍弱，不夠美觀等。文章中將采用一種全新的裝配式全包鋼組合構件的框架——核心筒結構體系，在提升防火性能的前提下對材料進行優(yōu)化，提升剪力墻的強度、剛度和穩(wěn)定性，減少建筑的造價及施工難度，降低工程及后期維護的成本，為新型構件的工程應用提供理論依據(jù)。

關鍵詞 超高層建筑 外包鋼箱混凝土 防火砂漿

中圖分類號：TU972+.9;TU398+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）12-0023-02

1 前言

隨著我國經濟的快速發(fā)展和城市化進程的持續(xù)推進，低層建筑和中層建筑已經無法滿足人們的住房需求。超高層建筑的所占比例逐漸升高，建筑領域的結構體系也隨之發(fā)生改變。為了減輕上部結構對下部結構的荷載，在建筑選材時要求選用新型輕質高強材料。為了滿足超高層建筑抗震性能和防火體系的要求，本文將采用一種含裝配式全包鋼組合構件的框架——核心筒結構體系，也可稱為外包鋼箱混凝土結構體系，其核心部分采用外包鋼箱混凝土剪力墻結構。

2 外包鋼箱混凝土剪力墻結構

外包鋼箱混凝土剪力墻由內部現(xiàn)澆混凝土與其外側包裹的鋼箱組成，內置的混凝土與外側鋼箱之間通過焊接加勁肋板連接?；炷量梢灾瓮鈧蠕摪澹档弯摪宓木植壳鷳Αｄ撓淇梢允菇Y構承受更高載荷，加強結構的承載力，改善混凝土的力學性能，增強其延展性和抗剪切承載力，限制它的橫向膨脹。此外，鋼箱由于體積較大，還能使混凝土最大程度與外界環(huán)境隔離，阻止了外界環(huán)境與混凝土的接觸，減少了混凝土出現(xiàn)開裂和受損的風險，提高了其耐久性，符合可持續(xù)發(fā)展理念。使用外包鋼箱覆蓋混凝土還可以增加其觀賞性。相較于以往的超高層剪力墻結構，使用外包鋼箱混凝土會稍稍增加成本，不過換來的卻是性能的大幅度提高?？梢杂糜谳^為重要的超高層建筑中，減小出現(xiàn)墻體損壞、火災等風險。

3 外包鋼箱混凝土的性能

對比傳統(tǒng)超高層建筑剪力墻使用的高強度鋼筋混凝土性能，高強度鋼筋為HRB400。對高強度鋼筋混凝土剪力墻結構和鋼箱混凝土進行有限元模型分析，當墻體高度為3.9米時，鋼箱混凝土含鋼量為5.6%，軸壓比為0.6[1]。鋼箱混凝土由于其特殊的結構構造，剪力墻的水平承載力和軸向承載力要遠高于傳統(tǒng)同一水平的剛強度混凝土剪力墻。由于鋼的延展性極其優(yōu)越，含鋼量高的鋼箱混凝土剪力墻的延展性也強于高強度混凝土剪力墻，在出現(xiàn)地震，爆炸等特殊情況時其抗震性能優(yōu)，可以減少很多風險。

4 超高層建筑的消防問題

與普通建筑相比，超高層建筑結構復雜，樓層也相對較多，這就在無形中增加了災害的發(fā)生率。并且在災害發(fā)生時，哪怕?lián)碛休^為完善的消防體系，由于電梯的無法使用和逃生路線的難以抉擇，處在高層的人員也很難撤離。就傳統(tǒng)超高層建筑的消防系統(tǒng)設計而言，超高層建筑的內部底板與外層幕墻等結構之間留有較大的閑置空間，而該空間周圍沒有設置任何的消防材料。一旦建筑內部產生火災，沒有任何保護措施的外層結構將無法實現(xiàn)防火。墻體的內部產生火源不僅危害極大，在消防人員趕到時也難以消滅火源。超高層建筑一般處于城市中心人群密集區(qū)域，且為城市重要建筑或代表建筑，一旦失火導致主體蔓延，將造成重大的人員傷亡和財產損失，燃燒產生的氣體還會污染環(huán)境，造成惡劣的社會影響。

4.1 外包鋼箱混凝土的防火隱患

使用外包鋼箱混凝土剪力墻的超高層建筑，因其含鋼量高，常采用鋼結構或組合結構。鋼箱混凝土作為裝配式全包鋼組合構件的框架——核心筒結構體系的核心部分，用其為原材料做出的剪力墻承載力高且延展性強。但與此同時若在發(fā)生火災的情況下溫度急劇提高，高溫的環(huán)境中鋼材的彈性模量與屈服強度會隨著溫度的升高顯著下降。外包鋼箱混凝土的構件和鋼構件在火災的高溫下會短時間內達到屈曲極限，并且迅速地失效導致建筑倒塌。因此外包鋼箱混凝土剪力墻的耐火性能需要提高，并采取更有效的防火措施。

4.2 防火方案的選取

依據(jù)《建筑設計防火規(guī)范：GB 50016-2014》，本工程屬于一類公共建筑[2]。常見的鋼箱混凝土組合構件或鋼構件的防火做法有防火涂料、外包防火層、耐火鋼、疏導法四種。

防火涂料分為薄涂型和厚涂型兩種。薄涂型防火涂料在出現(xiàn)火災情況時，會在高溫下產生膨脹作用且膨脹速度極快，形成一種致密的泡沫炭質層。這種泡沫炭質層的隔熱抗熱效果極好，能有效隔絕火源熱源。并且與厚涂型防火涂料相比，由于厚涂型防火涂料需要涂多層，施工過程中容易產生偏差造成不同地方的厚度不一致，或是涂抹過程中產生氣孔等情況。厚度不一致會影響剪力墻的美觀，氣孔難以避免且在發(fā)生火災時有出現(xiàn)爆炸的危害。而薄涂型防火涂料外形美觀，裝飾效果極佳，存在的風險也相對較低，因此在工程中可以大量使用。

外包防火層是使用防火砂漿層或外包混凝土等擁有較大內部空間且不易燃燒的材料來保護內部構件。這些外包材料可以在火災發(fā)生時讓內部構件遠離火源與熱源，使內部構件達不到著火點，提高材料的耐火極限。

耐火鋼材是一種成本較高的防火材料，由于技術限制使用耐火鋼材是當下新型的防火方式。耐火鋼材通過在鋼材中加入Mo、Cr、Nb等稀有元素，提高了鋼材的強度和耐火極限，用這種方式制備成的新型耐火鋼材相較于傳統(tǒng)的鋼材擁有更高的抗彎、抗折能力，且防火性能有極大的提高。這種耐高溫的鋼材可以在600攝氏度的高溫環(huán)境下仍保持常溫時屈服強度的2/3。采用新型耐火鋼材可以減少防火涂層的厚度和用量，甚至在某些情況下可以不使用防火涂層，提高了結構的美觀性和潛在風險，且大大減少了消防工程的成本。

疏導法是一種有人為參與的物理方法，在鋼材升溫的過程中，通過一定的技術手段將熱量傳遞走，從而使構件的溫度達不到著火點，保證在安全的溫度范圍內。這是成功率最高的一種防火方案，在實驗過程中幾乎沒有出現(xiàn)過失火的情況，但這種方法技術難度較高，成本相較于其他幾種方法也高出數(shù)倍，因此在工程中應用較少。

當前最常見的防火方法是在構件表面噴涂防火涂料或架設防火板，這項技術已經相對成熟，在工程中擁有廣泛的應用。噴涂防火涂料和架設防火擁有兩個共同的優(yōu)點，即安全性強和美觀性好。但是噴涂防火涂料或架設防火板相較于使用防火砂漿層和外包混凝土成本較高，并且工人需要熟練的工藝技術，因此施工速度會比較慢。并且考慮到超高層建筑還需要顧及裝修、物業(yè)等問題，因此本文將在外包鋼箱混凝土表面噴涂強度為M7.5，厚度70mm的普通砂漿。為了施工過程的簡便和降低成本，將采用掛網批蕩的方式進行施工。為了防止在火災的高溫情況下砂漿保護層在遇熱時間過長后產生明顯的開裂，可以采用在砂漿內部架設兩層鋼筋網的方法阻止開裂，并且內部設置兩層鋼筋網還可以提高砂漿的強度，在承重方面可以承受更多的

荷載。

砂漿防火層作為近年來國內熱門防火方式，這項技術已得到極為廣泛的應用與實踐。在涂抹砂漿防火層之前首先需要對被保護表面進行除銹處理，以保證砂漿防火層和內置混凝土緊密接觸。并且還可以減少銹蝕物與混凝土中的部分物質產生反應而使強度降低的風險。除銹后焊接固定錨栓，采用掛網批蕩的方式分別披掛底層和面層的鋼筋網，接著通過綁扎的方式進行固定，最后分層噴涂砂漿。

普通砂漿的熱工參數(shù)為：導熱系數(shù)為1.0，質量熱容為840，密度為1780kg/cm3。

5 火災下外包鋼箱混凝土剪力墻的表現(xiàn)

當發(fā)生火災時，外界熱源主要通過熱輻射和熱對流來向構件表面?zhèn)鬟f熱量，而構件內部主要通過發(fā)生熱傳導來吸收構件表面的熱量。假設在火災的高溫情況下，構件被包裹在高溫的環(huán)境中，此時砂漿保護層包裹保護著鋼箱，鋼箱包裹保護內部的混凝土。如果這三個部分之間的傳熱條件皆正常，參考ECCS數(shù)值，熱輻射系數(shù)為0.5。在受火時間的積累過程中，首先鋼箱混凝土外部溫度緩慢提高，外部砂漿保護層有效隔絕了火源熱源，極大地拉長了被包裹在內部的混凝土接觸到熱量的時間。當受火兩小時后，包裹內部混凝土剪力墻的鋼箱或鋼板開始升溫，由于鋼材的導熱性能良好，鋼材升高的溫度主要集中在邊緣的四個角和中心的隔板。當受火200分鐘后，鋼材將溫度傳遞到包裹的混凝土上，混凝土的傳熱性能較差，貼近外包鋼箱或鋼板的混凝土溫度較高，但當遠離外部鋼板一定距離后，溫度明顯下降并且穩(wěn)定在了安全范圍內。因此，火災下外包鋼箱混凝土剪力墻的表現(xiàn)要遠超傳統(tǒng)混凝土剪力墻。

6 結語

本文研究的創(chuàng)新點立足于在造價不變或者略有提高的情況下，研究生產出一種新型的防火性能更強的防火材料，在現(xiàn)有防火材料和剪力墻結構的基礎上進行創(chuàng)新性質的改良，在混凝土外包裹鋼箱或者鋼板，在鋼箱或鋼板外噴涂防火砂漿層涂料。在材料和結構兩方面皆有創(chuàng)新，提高建筑的性價比。此外，盡可能提高結構的強度，以讓其在質量變輕的情況下承受更高的荷載。項目會根據(jù)超高層建筑的特點設計出一種更安全更經濟的剪力墻模型，盡量讓建筑造價成本不高于相同層數(shù)面積的普通建筑造價情況下，對剪力墻結構和建筑材料進行優(yōu)化，通過提高超高層建筑的穩(wěn)定性以及防火性能來提升建筑結構整體的安全性，讓超高層建筑穩(wěn)定性更高，盡可能降低火災事故的發(fā)生率，減少社會損失，保障人員和財產的安全。

參考文獻

[1] 蘇恒強，何軍，劉金松，李雨盈.鋼箱混凝土剪力墻在超高層結構中的研究與應用[J].工程科技Ⅱ輯，2020（10）：132-133.

[2] 吳泉霖，何軍，劉金松.鋼箱混凝土剪力墻砂漿防火層隔熱性能分析[J].工程科技Ⅱ輯，2020（07）：77-78.