火灾作用下双钢板混凝土组合剪力墙的稳定性分析

何盛鑫

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

随着建筑用地的紧张，城市中高层建筑不断涌现，其中以双钢板混凝土组合剪力墙结构[1-3]为代表的建筑逐渐增多。双钢板混凝土组合剪力墙作为钢混组合构件，其基本结构形式为在外包钢板内部填充混凝土，通过对拉螺栓、栓钉或缀板保证两者之间连接可靠。混凝土与外包钢板相互约束，防止钢板屈曲失稳的同时也提高内填混凝土变形能力，使其在地震作用下能表现出良好的延性和耗能能力。值得注意的是，十年来高层建筑火灾呈逐年上升趋势，仅2021 年就发生了高层住宅火灾3438起，亡155人[4]。高层建筑因为自身高度较高，救援难度较大，安全风险变大。双钢板混凝土组合剪力墙作为高层建筑中的主要抗侧力构件，在使用过程中还要承受和传递一定的竖向荷载。所以组合剪力墙在轴向荷载和火灾高温共同作用下的抗火性能及其在火灾中的安全性对于高层建筑至关重要。

组合剪力墙中混凝土部分在火的作用下不会发生燃烧，但在高温作用下会产生裂纹，导致结构因强度丧失而发生破坏。而对拉螺栓作为连接外包钢板，内置于混凝土中的重要连接件，可以加强钢板对混凝土的约束作用，提高混凝土的承压能力。而一旦发生火灾，对拉螺栓的变形总是导致钢与混凝土界面处的相对剥离，从而可能影响复合结构的结构刚度和承载能力。同时对拉螺栓的用量会影响截面含钢率，间接影响构件截面温度分布。近年来国内外已有不少学者开展了相关研究，但已有的研究只关注其常温下的受力性能，鲜有其高温下受力性能的研究报道。因此，有必要探究对拉螺栓参数的改变对双钢板混凝土组合剪力墙构件耐火极限的影响，对组合剪力墙的稳定性进行模拟分析，进而提出优化方案。

1 有限元模型的建立

1.1 研究方法

ABAQUS作为目前国际上主流的大型有限元分析软件，拥有十分强大的非线性力学分析能力和求解功能，除了能模拟力作用下的结构响应外，还能够进行热传导分析、热力耦合分析、声学分析以及渗流-应力耦合分析等。ABAQUS拥有多种不同材料模型，包括不同材料本构关系以及失效准则，可以较精确地模拟工程结构中所遇到的大多数材料的力学性能。

本文通过ABAQUS软件的顺序热力耦合模块建立双钢板混凝土组合剪力墙的热学和力学分析模型（见图1所示）。本文所涉及的数值模拟皆在ABAQUS/Standard中进行，先进行高温作用下模型的温度场分布计算并同步建立力学分析模型，再将温度场计算结果文件导入力学分析模型中，间接实现热力耦合，具体步骤如下：

图1 模型示意图

（1）借助第三方处理软件CAD建立模型各部件。在CAD中对各部件进行实体建模并生成SAT文件，SAT文件导入ABAQUS中得到各部件模型。采用SAT文件原始的坐标信息，将各部件进行组合得到试件整体模型。

（2）分别对温度场模型和力学模型完成前处理，对模型进行网格划分并通过查阅文献设置材料热工参数、本构关系、界面接触类型、分析步、边界条件等。对试件进行网格划分时，力学模型和温度场分析模型采用不同的网格类型，分析步设置时温度场模型为“Heat Transfer”而力学模型为“Static，General”。

（3）对于失稳破坏的试件需单独计算其屈曲模态并导入力学分析模型中。

（4）将温度场分析模型计算得到的ODB文件作为预定义场导入力学模型中，并对力学模型施加轴力，完成间接热力耦合。

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（5）分析计算。得到模型应力、应变、位移、温度、内力等信息，在“Visualization”模块中可以比较直观地进行分析。

1.2 模型设计参数

模型设计参数见表1所示。

表1 模型设计参数（单位：mm）

1.3 接触设置

双钢板混凝土组合剪力墙温度场分析模型中包涵五种接触界面：栓钉与钢板接触界面、栓钉与混凝土接触界面、混凝土与外包钢板接触界面、对拉螺栓与混凝土接触界面以及加载梁与钢板剪力墙的接触界面。依据试验情况，不同部件之间的接触采用不同的方法模拟。

1.3.1 温度场分析模型

试件在真实的火灾和轴力共同作用下，钢板发生较为明显的局部屈曲，在混凝土与钢板之间形成空隙，从而形成接触热阻。接触热阻的存在使钢板的温度模拟结果偏高，内部混凝土的温度模拟结果偏低。但顺序热力耦合模型在进行温度场分析时无法考虑结构变形对温度分布的影响。为了更准确地模拟试件的升温过程，本文参考部分学者[5-7]提出的接触热阻取值建议，将钢板与混凝土之间采用“contact”接触，同时通过试算后将钢板与混凝土接触界面热阻值设置为0.01m2℃/w。钢板与栓钉之间采用“Tie”接触，即假设两种材料的公共节点温度一致，不考虑热量在界面处传递的损耗。除此之外，对拉螺栓与混凝土之间同样采用“Tie”接触，因为混凝土对螺栓的包裹较好，粘结紧密，可以忽略界面热阻对热量传递的影响。

栓钉与混凝土之间采用“Embedded”接触，即将栓钉内置于混凝土中。因为在实际试验过程中对加载梁进行了隔热措施，故不考虑加载梁对模型温度场分布的影响，将加载梁与试件之间的接触热阻设置为无穷大。

1.3.2 力学分析模型

栓钉与钢板采用“Tie”接触，同时“Embedded”于混凝土中。上下加载梁与剪力墙采用“Tie”接触，同时上加载梁的顶面与下加载梁的底面分别与参考点RP-1和RP-2进行耦合。

1.4 网格划分

温度场分析模型和力学分析模型采用相同的网格划分方式，以保证两个模型的各节点和单元号能够完全对应，这是实现顺序热力耦合的重要前提。本文综合考虑了模拟精度和计算效率，将混凝土单元和钢板-螺杆单元都以20mm进行网格划分，且均采用结构化网格划分技术（Structured），见图2所示。栓钉单元自身尺寸较小但数量很多，以1mm 对其进行网格划分，采用扫掠划分技术（Sweep）。温度场分析模型中的所有实体单元采用DC3D8 类型，力学分析模型中的所有实体单元采用C3D8R类型。

图2 网格划分

1.5 边界条件

1.5.1 温度场分析模型

在之前的试验中，加热炉按ISO-834标准火灾曲线升温，且试件四周均匀受热。通过设置ABAQUS软件中的“Surface film condition”和“Surface radiation”条件，可以模拟这一升温过程。本文中将空气的热对流参数设置为25W/（m2·℃），受火面综合辐射系数设置为0.5。

1.5.2 力学分析模型

在ABAQUS软件中，每一个参考点包含6个自由度，即Ux、Uy、Uz、URx、URy、URz，U表示平动，UR表示转动。因为将参考点RP-1和RP-2分别与上加载梁的顶面与下加载梁的底面进行了耦合，在设置边界条件时，限制RP-1除Uz所有自由度以及RP-2所有自由度，以符合实际加载情况。限制参考点自由度的同时，在RP-1上设置集中荷载，荷载值根据试件轴压比确定。

2 参数分析

2.1 耐火极限判定准则

双钢板混凝土组合剪力墙属于轴向承重构件，其耐火极限的判别标准由《建筑构件耐火试验方法》（GB/T 9978.1-2008）确定，分为三种情况：承载能力丧失、完整性丧失以及隔热性丧失。因为本次试验为试件整体受火，所以本文选取承载力指标作为判定双钢板混凝土组合剪力墙达到耐火极限的依据。承载能力丧失的计算公式如下：

极限轴向压缩变形量：

极限轴向压缩变形速率：

式中：

C——极限轴向压缩变形量，mm;

h——试件初始高度，mm；

t——达到耐火极限的时间，min。

2.2 分析结果

根据计算结果，研究双钢板混凝土组合剪力墙构件在对拉螺栓间距设置为90mm和160mm时在达到耐火极限时的钢板位移。当螺杆间距为160mm时，钢板最大侧向位移为10mm，屈曲部位主要集中于钢板中部且屈曲面积较大。而当螺杆间距缩小为90mm时，钢板最大侧向位移为5.97mm，屈曲部位同样集中于钢板中部，但屈曲面积有所减小。由此可知，对拉螺栓对钢板形成了有效的约束，钢板屈曲部位受对拉螺栓布置的影响呈波浪式分布，波谷位置为对拉螺栓点位。所以，减小对拉螺栓间距可以增强外包钢板之间的侧向约束，减少钢板局部屈曲的发生，并且使屈曲导致的钢板最大侧向位移值减小。

由图3可知，对拉螺栓间距的改变对构件耐火极限并无明显影响。当螺杆间距较小时，会造成构件内部平均温度升高，加速混凝土材料性能的劣化，同时减少内部混凝土的体积，对混凝土承压性能产生一定的负面影响。但同时，螺杆间距的减小较为有效地抑制了外钢板的屈曲，间接提高了钢板对混凝土的约束作用，改善了混凝土的承压性能。所以，对拉螺栓间距的改变并未对双钢板混凝土组合剪力墙构件的耐火极限造成明显影响。

图3 不同螺栓间距模型耐火极限

3 结束语

本文通过合理设置有限元模型的钢材和混凝土材料的热工参数和高温下的力学本构模型，较为精确地模拟出双钢板混凝土组合剪力墙构件在高温和轴力共同作用下的耐火极限。分析认为，减小对拉螺栓间距可以有效抑制外包钢板的屈曲，提高钢板对内部混凝土的约束效应。在本文设置的参数范围内，双钢板混凝土组合剪力墙构件的耐火极限受对拉螺栓间距影响较小。