钢框架内嵌钢板剪力墙高温抗火性能分析

米琳琳 张瀚天 姜 静

（1.牡丹江大学土木工程学院，黑龙江 牡丹江 157011；2.佳木斯大学建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 154000）

1 引言

20世纪初，国外已开始对钢结构抗火性能进行研究，各国专家对火灾下钢构件和钢结构整体进行抗火性能的试验研究和模拟分析，取得了一定的研究成果。[1]-[3]我国对钢结构抗火研究起步较晚，随着钢结构的广泛应用，经过学者们的不懈努力，我国关于钢材耐火时间、判断抗火失效准则等研究逐渐成熟。但是，对于钢板剪力墙抗火性能的研究较少，这直接影响整个结构安全性，更影响钢板剪力墙在实际工程中的应用。本文应用ABAQUS有限元软件建立三层三跨钢框架内嵌钢板剪力墙结构，研究不同位置起火对整个结构抗火性能的影响，找出受火最不利位置和薄弱构件，为抗火设计提供参考。

2 有限元方法及验证

本文应用有限元软件ABAQUS模拟文献[4]中单层钢框架火灾试验，温度按ISO-834标准升温曲线加载，ISO-834标准升温曲线见图1。

图1 ISO-834标准升温曲线

对比模拟结果与试验结果（见图2-图4）发现趋势上吻合较好，说明应用ABAQUS软件模拟钢结构抗火性能的可行性。温度最大误差在测点5的10min，误差最大为33%，误差原因是试验初始温度高于室温，在试验过程中试验炉内采用燃油点燃喷火装置，虽然升温采用的是ISO-834升温曲线，但炉内温度仍是高于升温曲线。柱顶侧向位移最大误差为25%，造成误差的原因主要是模拟与试验的温度误差导致产生的应力大小不同，此外钢材含碳量、构件初始缺陷等也影响结果。

图2 柱温度-时间曲线

图3 梁温度-时间曲线

图4 柱顶侧向位移-温度曲线

3 有限元分析

建立三层三跨钢框架内嵌钢板剪力墙结构，层高3m，跨度5.4m，钢板尺寸5×2.64×0.01m，梁截面尺寸H360×200×10×15.8mm，柱截面尺寸H400×300×13.5×24mm，钢材均采用Q235。对梁柱连接节点以及梁腹板限制平面外位移，梁上作用有均布荷载39kN/m，轴压比0.4。假设材料为理想弹塑性体，钢材容重7850kg/m3，初始弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服强度290MPa。钢材的热工性能按欧洲规范选取，[5][6]力学性能按李国强教授[7]给出的公式选取。钢板单面受火，初始温度为20℃，按ISO-834标准升温曲线加载，加热1500s。

为研究不同位置受火对整个结构抗火性能的影响，由于结构具有对称性，因此建立六种工况，钢板单面受火，工况设置见图5，对比分析火灾下六种工况结构变形（梁挠度、柱侧向位移）和内力变化（钢板应力）。

图5 工况1-工况6受火示意图

火灾下，判断钢结构整体达到极限承载力标准为：

（1）结构丧失整体稳定性；

（2）结构达到不适合继续承载的变形，计算公式如下：

从火灾发生到结构构件或结构整体达到极限承载状态所用时间即为结构构件或结构整体的耐火时间。本文梁挠度限值；柱侧向位移限值，即当梁挠度、柱侧向位移超过对应极限值时，视为构件破坏或结构失稳。

4 结构分析

4.1 梁挠度分析

钢梁在常温下无明显变形，但随着温度的升高，梁挠度呈非线性变化。从图6可知工况1、2、4、5变形趋势一致，工况3、6趋势一致且变形最大，这是因为工况3、6直接与梁连接，钢板受热膨胀对梁产生向上推力，挠度增大塑性增强。当钢板温度升到一定时，温度开始由高温部位向低温部位传递，同时两侧钢柱有侧向位移对梁产生拉力抑制梁的变形。工况3、6达到变形极限0.02m时，对应的破坏时间分别是675s、608s，根据失效标准当起火点位于工况3、6时对结构最不利，梁构件破坏是由于钢板膨胀变形导致的，虽然整个结构仍然保持受力状态并未失稳，但也应加强梁构件和钢板的防火保护。

图6 不同工况梁挠度曲线图

图7 不同工况柱侧向位移曲线图

4.2 柱侧向位移分析

刚度随温度的升高而降低，从图7可知柱侧向变形越来越大，工况1、2、3变形趋势一致且侧向变形最大，原因是工况1-3位于边跨，柱左侧缺少约束，尤其是工况3位于顶层边跨，缺少上部和左侧的约束作用使得柱侧向变形最大，随着时间增长曲线有变缓趋势说明钢板升温到一定时，温度将从高温钢板向周围低温构件传递，钢板膨胀变形减弱，此时柱变形趋于稳定，侧向位移分别为20.44mm、19.90mm、25.4mm，未达到变形极限，可继续承载。工况4、5、6变形曲线呈先增大后减小趋势，这是因为钢板受热膨胀对柱有侧向推力，又对梁有向上推力，使得梁向上变形时对柱产生拉力，同时工况4、5、6位于结构中跨，柱变形受周围构件约束作用。说明起火源位于边跨，尤其是位于顶层边跨，结构产生的侧向位移最大，虽然没达到柱变形极限，但柱为抗火关键构件，在抗火设计时仍需多加考虑。

4.3 钢板受火面应力分析

图8 不同时刻工况1应力分布云图

不同工况应力变化具有相似性，选取工况1应力变化为例进行分析，见图8。0s时结构处于室温状态，在外力作用下柱存在初始应力；受火初期，钢板和钢框架应力最大，随着温度升高传热加剧，应力重新分布并且分布比常温复杂，受火结束时应力主要集中在梁柱节点，同时也是弯矩最大的地方，钢板应力最小，这符合钢板只承受水平荷载不承受竖向荷载的设计要求。由上述分析可知，梁柱节点是受火薄弱部位应加强节点保护；不同工况受火将增大相邻间的应力，在做防火设计时应进行考虑。

5 结论

（1）高温下梁挠度最大的是工况6即顶层中跨，破坏时间是608s；其次是工况3，位于顶层边跨，破坏时间是675s。研究表明起火源越靠近梁，梁变形越大，对梁构件越不利。虽然整个结构仍然保持受力状态并未失稳，但也应加强梁构件和钢板的防火保护。

（2）六种工况在高温环境中，柱侧向位移最大的工况1、2、3，分别为20.44mm、19.90mm、25.4mm，侧向位移未达到变形极限，可继续承载；工况4、5、6变形较小，说明变形与起火源位置和约束条件有关，边跨受火对结构侧向变形最不利。

（3）在外力作用下钢板存在初始应力，受火初期钢板和钢框架应力最大，受火结束时应力主要集中在梁柱节点，节点对结构整体稳定具有重要作用，应加强节点保护。