何盛鑫

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著建筑用地的緊張，城市中高層建筑不斷涌現(xiàn)，其中以雙鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)[1-3]為代表的建筑逐漸增多。雙鋼板混凝土組合剪力墻作為鋼混組合構(gòu)件，其基本結(jié)構(gòu)形式為在外包鋼板內(nèi)部填充混凝土，通過對(duì)拉螺栓、栓釘或綴板保證兩者之間連接可靠?；炷僚c外包鋼板相互約束，防止鋼板屈曲失穩(wěn)的同時(shí)也提高內(nèi)填混凝土變形能力，使其在地震作用下能表現(xiàn)出良好的延性和耗能能力。值得注意的是，十年來高層建筑火災(zāi)呈逐年上升趨勢，僅2021 年就發(fā)生了高層住宅火災(zāi)3438起，亡155人[4]。高層建筑因?yàn)樽陨砀叨容^高，救援難度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)變大。雙鋼板混凝土組合剪力墻作為高層建筑中的主要抗側(cè)力構(gòu)件，在使用過程中還要承受和傳遞一定的豎向荷載。所以組合剪力墻在軸向荷載和火災(zāi)高溫共同作用下的抗火性能及其在火災(zāi)中的安全性對(duì)于高層建筑至關(guān)重要。

組合剪力墻中混凝土部分在火的作用下不會(huì)發(fā)生燃燒，但在高溫作用下會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度喪失而發(fā)生破壞。而對(duì)拉螺栓作為連接外包鋼板，內(nèi)置于混凝土中的重要連接件，可以加強(qiáng)鋼板對(duì)混凝土的約束作用，提高混凝土的承壓能力。而一旦發(fā)生火災(zāi)，對(duì)拉螺栓的變形總是導(dǎo)致鋼與混凝土界面處的相對(duì)剝離，從而可能影響復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力。同時(shí)對(duì)拉螺栓的用量會(huì)影響截面含鋼率，間接影響構(gòu)件截面溫度分布。近年來國內(nèi)外已有不少學(xué)者開展了相關(guān)研究，但已有的研究只關(guān)注其常溫下的受力性能，鮮有其高溫下受力性能的研究報(bào)道。因此，有必要探究對(duì)拉螺栓參數(shù)的改變對(duì)雙鋼板混凝土組合剪力墻構(gòu)件耐火極限的影響，對(duì)組合剪力墻的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而提出優(yōu)化方案。

1 有限元模型的建立

1.1 研究方法

ABAQUS作為目前國際上主流的大型有限元分析軟件，擁有十分強(qiáng)大的非線性力學(xué)分析能力和求解功能，除了能模擬力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)外，還能夠進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析、熱力耦合分析、聲學(xué)分析以及滲流-應(yīng)力耦合分析等。ABAQUS擁有多種不同材料模型，包括不同材料本構(gòu)關(guān)系以及失效準(zhǔn)則，可以較精確地模擬工程結(jié)構(gòu)中所遇到的大多數(shù)材料的力學(xué)性能。

本文通過ABAQUS軟件的順序熱力耦合模塊建立雙鋼板混凝土組合剪力墻的熱學(xué)和力學(xué)分析模型（見圖1所示）。本文所涉及的數(shù)值模擬皆在ABAQUS/Standard中進(jìn)行，先進(jìn)行高溫作用下模型的溫度場分布計(jì)算并同步建立力學(xué)分析模型，再將溫度場計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入力學(xué)分析模型中，間接實(shí)現(xiàn)熱力耦合，具體步驟如下：

圖1 模型示意圖

（1）借助第三方處理軟件CAD建立模型各部件。在CAD中對(duì)各部件進(jìn)行實(shí)體建模并生成SAT文件，SAT文件導(dǎo)入ABAQUS中得到各部件模型。采用SAT文件原始的坐標(biāo)信息，將各部件進(jìn)行組合得到試件整體模型。

（2）分別對(duì)溫度場模型和力學(xué)模型完成前處理，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并通過查閱文獻(xiàn)設(shè)置材料熱工參數(shù)、本構(gòu)關(guān)系、界面接觸類型、分析步、邊界條件等。對(duì)試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，力學(xué)模型和溫度場分析模型采用不同的網(wǎng)格類型，分析步設(shè)置時(shí)溫度場模型為“Heat Transfer”而力學(xué)模型為“Static，General”。

（3）對(duì)于失穩(wěn)破壞的試件需單獨(dú)計(jì)算其屈曲模態(tài)并導(dǎo)入力學(xué)分析模型中。

（4）將溫度場分析模型計(jì)算得到的ODB文件作為預(yù)定義場導(dǎo)入力學(xué)模型中，并對(duì)力學(xué)模型施加軸力，完成間接熱力耦合。

學(xué)生可以登錄網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開展任務(wù)型自主學(xué)習(xí)。教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)度布置學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)任務(wù)。在教學(xué)平臺(tái)采用“公開”“定時(shí)發(fā)放”“闖關(guān)模式”發(fā)放課程，推送學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)。

（5）分析計(jì)算。得到模型應(yīng)力、應(yīng)變、位移、溫度、內(nèi)力等信息，在“Visualization”模塊中可以比較直觀地進(jìn)行分析。

1.2 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

模型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所示。

表1 模型設(shè)計(jì)參數(shù)（單位：mm）

1.3 接觸設(shè)置

雙鋼板混凝土組合剪力墻溫度場分析模型中包涵五種接觸界面：栓釘與鋼板接觸界面、栓釘與混凝土接觸界面、混凝土與外包鋼板接觸界面、對(duì)拉螺栓與混凝土接觸界面以及加載梁與鋼板剪力墻的接觸界面。依據(jù)試驗(yàn)情況，不同部件之間的接觸采用不同的方法模擬。

1.3.1 溫度場分析模型

試件在真實(shí)的火災(zāi)和軸力共同作用下，鋼板發(fā)生較為明顯的局部屈曲，在混凝土與鋼板之間形成空隙，從而形成接觸熱阻。接觸熱阻的存在使鋼板的溫度模擬結(jié)果偏高，內(nèi)部混凝土的溫度模擬結(jié)果偏低。但順序熱力耦合模型在進(jìn)行溫度場分析時(shí)無法考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)溫度分布的影響。為了更準(zhǔn)確地模擬試件的升溫過程，本文參考部分學(xué)者[5-7]提出的接觸熱阻取值建議，將鋼板與混凝土之間采用“contact”接觸，同時(shí)通過試算后將鋼板與混凝土接觸界面熱阻值設(shè)置為0.01m2℃/w。鋼板與栓釘之間采用“Tie”接觸，即假設(shè)兩種材料的公共節(jié)點(diǎn)溫度一致，不考慮熱量在界面處傳遞的損耗。除此之外，對(duì)拉螺栓與混凝土之間同樣采用“Tie”接觸，因?yàn)榛炷翆?duì)螺栓的包裹較好，粘結(jié)緊密，可以忽略界面熱阻對(duì)熱量傳遞的影響。

栓釘與混凝土之間采用“Embedded”接觸，即將栓釘內(nèi)置于混凝土中。因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)過程中對(duì)加載梁進(jìn)行了隔熱措施，故不考慮加載梁對(duì)模型溫度場分布的影響，將加載梁與試件之間的接觸熱阻設(shè)置為無窮大。

1.3.2 力學(xué)分析模型

栓釘與鋼板采用“Tie”接觸，同時(shí)“Embedded”于混凝土中。上下加載梁與剪力墻采用“Tie”接觸，同時(shí)上加載梁的頂面與下加載梁的底面分別與參考點(diǎn)RP-1和RP-2進(jìn)行耦合。

1.4 網(wǎng)格劃分

溫度場分析模型和力學(xué)分析模型采用相同的網(wǎng)格劃分方式，以保證兩個(gè)模型的各節(jié)點(diǎn)和單元號(hào)能夠完全對(duì)應(yīng)，這是實(shí)現(xiàn)順序熱力耦合的重要前提。本文綜合考慮了模擬精度和計(jì)算效率，將混凝土單元和鋼板-螺桿單元都以20mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)（Structured），見圖2所示。栓釘單元自身尺寸較小但數(shù)量很多，以1mm 對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用掃掠劃分技術(shù)（Sweep）。溫度場分析模型中的所有實(shí)體單元采用DC3D8 類型，力學(xué)分析模型中的所有實(shí)體單元采用C3D8R類型。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.5 邊界條件

1.5.1 溫度場分析模型

在之前的試驗(yàn)中，加熱爐按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線升溫，且試件四周均勻受熱。通過設(shè)置ABAQUS軟件中的“Surface film condition”和“Surface radiation”條件，可以模擬這一升溫過程。本文中將空氣的熱對(duì)流參數(shù)設(shè)置為25W/（m2·℃），受火面綜合輻射系數(shù)設(shè)置為0.5。

1.5.2 力學(xué)分析模型

在ABAQUS軟件中，每一個(gè)參考點(diǎn)包含6個(gè)自由度，即Ux、Uy、Uz、URx、URy、URz，U表示平動(dòng)，UR表示轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)閷⒖键c(diǎn)RP-1和RP-2分別與上加載梁的頂面與下加載梁的底面進(jìn)行了耦合，在設(shè)置邊界條件時(shí)，限制RP-1除Uz所有自由度以及RP-2所有自由度，以符合實(shí)際加載情況。限制參考點(diǎn)自由度的同時(shí)，在RP-1上設(shè)置集中荷載，荷載值根據(jù)試件軸壓比確定。

2 參數(shù)分析

2.1 耐火極限判定準(zhǔn)則

雙鋼板混凝土組合剪力墻屬于軸向承重構(gòu)件，其耐火極限的判別標(biāo)準(zhǔn)由《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》（GB/T 9978.1-2008）確定，分為三種情況：承載能力喪失、完整性喪失以及隔熱性喪失。因?yàn)楸敬卧囼?yàn)為試件整體受火，所以本文選取承載力指標(biāo)作為判定雙鋼板混凝土組合剪力墻達(dá)到耐火極限的依據(jù)。承載能力喪失的計(jì)算公式如下：

極限軸向壓縮變形量：

極限軸向壓縮變形速率：

式中：

C——極限軸向壓縮變形量，mm;

h——試件初始高度，mm；

t——達(dá)到耐火極限的時(shí)間，min。

2.2 分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研究雙鋼板混凝土組合剪力墻構(gòu)件在對(duì)拉螺栓間距設(shè)置為90mm和160mm時(shí)在達(dá)到耐火極限時(shí)的鋼板位移。當(dāng)螺桿間距為160mm時(shí)，鋼板最大側(cè)向位移為10mm，屈曲部位主要集中于鋼板中部且屈曲面積較大。而當(dāng)螺桿間距縮小為90mm時(shí)，鋼板最大側(cè)向位移為5.97mm，屈曲部位同樣集中于鋼板中部，但屈曲面積有所減小。由此可知，對(duì)拉螺栓對(duì)鋼板形成了有效的約束，鋼板屈曲部位受對(duì)拉螺栓布置的影響呈波浪式分布，波谷位置為對(duì)拉螺栓點(diǎn)位。所以，減小對(duì)拉螺栓間距可以增強(qiáng)外包鋼板之間的側(cè)向約束，減少鋼板局部屈曲的發(fā)生，并且使屈曲導(dǎo)致的鋼板最大側(cè)向位移值減小。

由圖3可知，對(duì)拉螺栓間距的改變對(duì)構(gòu)件耐火極限并無明顯影響。當(dāng)螺桿間距較小時(shí)，會(huì)造成構(gòu)件內(nèi)部平均溫度升高，加速混凝土材料性能的劣化，同時(shí)減少內(nèi)部混凝土的體積，對(duì)混凝土承壓性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。但同時(shí)，螺桿間距的減小較為有效地抑制了外鋼板的屈曲，間接提高了鋼板對(duì)混凝土的約束作用，改善了混凝土的承壓性能。所以，對(duì)拉螺栓間距的改變并未對(duì)雙鋼板混凝土組合剪力墻構(gòu)件的耐火極限造成明顯影響。

圖3 不同螺栓間距模型耐火極限

3 結(jié)束語

本文通過合理設(shè)置有限元模型的鋼材和混凝土材料的熱工參數(shù)和高溫下的力學(xué)本構(gòu)模型，較為精確地模擬出雙鋼板混凝土組合剪力墻構(gòu)件在高溫和軸力共同作用下的耐火極限。分析認(rèn)為，減小對(duì)拉螺栓間距可以有效抑制外包鋼板的屈曲，提高鋼板對(duì)內(nèi)部混凝土的約束效應(yīng)。在本文設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)，雙鋼板混凝土組合剪力墻構(gòu)件的耐火極限受對(duì)拉螺栓間距影響較小。