仝玉奎，陈 星，郑 飞，李 炎

(中建中环生态环保科技有限公司，江苏 苏州 215000)

1 概述

轻钢建筑是一种绿色环保的节能建筑，抗火性能薄弱是阻碍其推广应用的主要问题之一[1-2]。与试验研究相比，数值仿真研究方法可以显著降低研究成本，进行多参数分析，并且具有普遍适用性。因此，国内外学者对轻钢龙骨复合墙体的抗火性能进行了大量的数值模拟仿真研究[3-5]。Alfawakhiri将组合墙体耐火问题简化为非均匀升温情况下的单立柱屈曲问题，推导并编制了相应计算分析程序，其数值分析结果在侧向变形及耐火时间估计方面与其三片组合墙体耐火试验结果符合较好。陈文文等[6]提出墙体简化模型，设置柱间弹簧来模拟抗火试验中钢立柱受到的轴向膨胀约束作用，并且分析了立柱受火翼缘温度升温速率和竖向荷载比率对墙体侧向外变形的影响。然而针对轻钢复合墙体的震后抗火性能进行的数值仿真研究仍是一片空白。本文在陈文文等的计算模型基础上提出了新的墙体简化模型。以陈伟等[7-8]完成的新型轻钢复合墙体震后抗火性能为基准，考察了荷载水平和楼盖约束对墙体抗火性能的影响，给出新型轻钢复合墙体的层间位移角-荷载比-耐火极限三维曲面图，为该类墙体的抗火设计提供依据。

2 简化计算模型

2.1 边界条件介绍

陈伟等于国内外率先开展了新型轻钢复合墙体震后抗火试验研究，本文以其中的四片墙体试件为基准进行数值仿真研究计算，试件横截面如图1所示，各试件试验概况如表1所示。其中试件S1，S3钢蒙皮布置在受火侧，试件S2，S4将钢带布置在受火侧。通过设置侧向弹簧约束的方式来模拟墙板对钢立柱的约束作用。将试验所获得的钢立柱的温升曲线作为温度荷载施加到立柱模型上，以此来为钢立柱提供火灾下的真实温度场，计算模型均采用5 cm×5 cm的S4R壳单元。

表1 试件S1～S4试验概况

在钢立柱热、冷翼缘表面设置侧向弹簧约束的方式来模拟覆面板材对钢立柱的约束作用，侧向弹簧约束布置如图2所示。立柱计算模型两端分别设为底部端点和顶部加载点。本文通过在立柱加载端点与底部端点之间设置单向只拉弹簧的方式来模拟大刚度楼盖对钢立柱的轴向膨胀约束作用。单向只拉弹簧的轴向收缩刚度取为0，即不限制其收缩变形，轴向拉伸刚度ks取值如下所述。

未施加外荷载的立柱受火屈曲前变形如图3所示，L为立柱高度;ΔLT为T℃时立柱自由膨胀量。膨胀力ΔP、弹簧轴向拉伸刚度ks及立柱在T℃时的刚度kc,T满足：

(1)

由式(1)可得：

(2)

ks=μkc,T

(3)

(4)

其中，ET为钢材T℃时弹性模量；A为立柱截面面积；ΔL1为立柱因边界条件限制产生的回缩值；ΔL2为柱间弹簧的轴向变形值。

2.2 参数设置

钢立柱钢材等级为G550(常温屈服强度为550 MPa，泊松比为0.3，密度为7 680 kg/m3)，材料属性由G550钢高温材性试验获得[9](见表2，图4)。由于ABAQUS中需要输入材料的真实应力及对数塑性应变关系，因此需将名义应力和名义应变按照式(4)转换为真实应力和对数塑性应变。

(5)

其中，σeng为名义应力；εeng为名义应变；σture为真实应力；εture为对数塑性应变；E为弹性模量。

表2 热物理参数

钢立柱为C89卷边槽钢构件，几何尺寸如图5(a)所示。本文在进行热力耦合数值分析过程中考虑了温度沿钢立柱高度方向的不均匀分布，具体方式为：沿钢立柱高度方向进行三等分，由上到下分别设为上部(Top)、中部(Mid)和下部(Bottom)三部分(见图5(b))，然后将前期试验所获得的钢立柱不同高度的温升曲线作为温度荷载按对应位置施加到钢立柱上。钢立柱横截面的温度分布情况如图5(c)所示。

2.3 初始缺陷

低周往复荷载作用导致ALC-玻特板覆面复合墙体钢立柱底部出现局部屈曲，改变了墙体的破坏模式，进而对墙体的耐火性能产生不利影响。因此，本文先对单根钢立柱计算模型进行屈曲分析，然后将屈曲分析得到的位移变形作为初始缺陷赋予钢立柱之后再进行热力耦合分析，从而模拟地震作用对墙体产生的损伤。图6，图7分别为钢立柱在轴向荷载作用s和底部水平荷载作用下产生的屈曲模态，本文将立柱在轴向荷载下产生的一阶屈曲模态(如图6所示)作为无损伤墙体(S1，S2)计算模型的初始缺陷，缺陷影响系数为0.9，将立柱在距底端300 mm 高度处的水平荷载作用下产生的前两阶屈曲模态(如图7所示)作为震损墙体计算模型的初始缺陷，缺陷影响系数取0.9。

3 模型有效性验证分析

3.1 耐火极限对比

表3对比了各个墙体试件耐火极限的模拟值与试验值，其中，试件S4由于试验中炉内存在大量水汽，因此试验测得的耐火极限偏低，误差分析中不考虑该试件。误差计算方法是：将模拟值与试验值的差值的绝对值除以试验值。可见墙体耐火极限的模拟值略低于试验值，二者误差的均值为7.5%，说明墙体简化计算模型的计算结果偏于安全，有利于复合墙体的抗火设计。

表3 耐火极限模拟值和试验值对比表

3.2 破坏模式对比

在进行热力耦合数值计算分析时，将钢立柱计算模型进入塑性的区域作为钢立柱的破坏位置。立柱进入塑性的判断标准为：钢立柱的Mises应力值达到钢材的高温屈服应力，例如，试件S2耐火极限的模拟计算值为162 min，由试验研究可知，钢立柱上部区域热翼缘温度为474 ℃(高温屈服应力254 MPa)，冷翼缘温度为350 ℃(高温屈服应力415 MPa)。由图8可知，模拟结果中立柱上部区域热翼缘Mises应力达到钢材的高温屈服应力，说明该区域进入塑性屈服阶段。

图8对比了代表性墙体试件S2，S3破坏模式的试验和数值计算结果。无震试件S2破坏模式是钢立柱上部热翼缘及其相邻腹板发生局部屈曲，进而引起立柱整体向背火侧弯曲破坏(Lhot-web-F)。出现该破坏模式的主要原因：1)火灾环境下，受热气流向上运动影响，墙体上部温度较高；2)钢立柱热翼缘温度较高，材性出现显著下降；3)端部靠近加载点，存在应力集中现象。震损试件S3的破坏模式是钢立柱底部腹板率先出现压曲，进而引起的全截面压屈破坏(见图9)。出现该破坏模式的主要原因：1)在3.0%层间位移角的低周往复荷载作用下，试件S3无法完全恢复至初始位置，导致在火灾试验加载过程中出现明显的面内偏心；2)地震作用下钢立柱底部出现明显的局部屈曲。

通过将试件S2，S3破坏模式的试验和数值计算结果进行对比可知：数值仿真模型与试验模型的破坏模式一致。

综上所述，本文所建立的简化计算模型计算结果与试验具有相似的破坏模式和耐火极限，数值模型比较合理，模拟结果可信。

4 讨论

4.1 荷载比率对墙体抗火性能的影响

采用不同荷载比率对上述4片墙体模型进行数值计算，表4给出了不同荷载比率下各墙体试件耐火极限的计算结果。图10给出了墙体的层间位移角-荷载比率-耐火极限的三维关系曲面图，其中，ALC-SS-CS-CFSW代表受火侧布置钢蒙皮的墙体(对应试件S1，S3)；ALC-SB-CS-CFSW代表受火侧布置钢带的墙体(对应试件S2，S4)。

表4 不同荷载比率下墙体的耐火极限

由模拟结果可知，墙体的抗火极限随着荷载水平的提高而降低，对4片墙体耐火极限进行统计分析可知，0.9荷载比下墙体的耐火极限较0.1荷载比率下平均下降53.5%。这是因为火灾环境下，钢立柱的材性随着温度升高而逐渐降低[9]，进而导致墙体的高温承载力逐渐降低，最终墙体出现结构失效。

此外，通过数值仿真研究发现，在荷载比率不小于0.7的情况下，无损伤墙体的破坏模式发生改变。以试件S2为例，当荷载比率小于0.7时，试件S2钢立柱破坏模式如图8所示，即钢立柱上部热翼缘及其相邻腹板发生局部屈曲，进而引起立柱整体向背火侧弯曲破坏(Lhot-web-F)，当荷载比率不小于0.7时，试件S2钢立柱破坏模式如图11所示，即钢立柱顶部全截面压屈破坏(LC)。这是因为，受热气流上升影响，墙体顶部附近的温度相对较高，钢立柱材性损失较多，同时，钢立柱顶部附近存在应力集中现象，实际压应力显著增大，加之荷载水平较大。最终导致墙体钢立柱顶部附近出现全截面压曲破坏。

4.2 楼盖约束对墙体抗火性能的影响

本文通过设置单向只拉弹簧的方式来模拟大刚度楼盖对钢立柱的轴向膨胀约束作用,式(1)～式(3)给出了单向只拉弹簧拉伸刚度ks的计算方法，可知，单向只拉弹簧的拉伸刚度ks与μ值成正比。因此，本文采用不同的μ值对墙体进行热力耦合数值计算，以此来考虑不同楼盖约束作用对墙体抗火性能的影响。

图12给出了钢蒙皮布置受火侧试件S1，S3在不同楼盖约束作用下的耐火极限折减曲线，其中，μ值等于5代表楼盖对钢立柱的约束作用，μ值等于2.5代表楼盖一半的刚度对钢立柱产生的约束作用，μ值等于0代表钢立柱无约束情况；“0.27”代表计算模型荷载比率为0.27；“0.9”代表计算模型荷载比率为0.9。

通过统计分析可知，在荷载比率分别为0.27和0.9的情况下，墙体在楼盖提供完全轴向膨胀约束(μ=5)的耐火极限较无楼盖约束(μ=0)时分别平均下降了5.8%和33.3%。由此可见，荷载比率较大的情况下，楼盖约束作用将显著降低墙体的抗火性能。这是因为，在火灾环境下，墙体钢立柱受热膨胀，楼盖约束作用将抑制钢立柱的膨胀变形，转而产生膨胀荷载，进而提高墙体的荷载水平。因此，楼盖约束作用将显著降低高荷载水平下墙体的耐火极限。

5 结论

本文通过立柱简化计算模型模拟了陈伟等人试验研究中的ALC-玻特板覆面轻钢复合墙体的震后抗火试验，并将模型计算结果与试验结果进行对比验证其合理性，随后考察了不同的荷载水平和楼盖约束作用对墙体抗火性能的影响，得到以下结论：

1)本文给出了新型ALC-玻特板覆面轻钢复合墙体的层间位移角-荷载比-耐火极限三维关系曲面图，供轻钢房屋建筑结构的震后抗火设计使用。2)荷载比率与墙体的耐火极限呈负相关关系，0.9荷载比下新型墙体的耐火极限较0.1荷载比下降了53.5%。3)荷载比率较大的情况下，新型轻钢复合墙体的受火破坏模式发生改变。荷载比率不小于0.7时，无损伤ALC-玻特板覆面复合墙体的受火破坏模式转变为墙体顶部附近全截面压屈破坏。4)在荷载比率较大的情况下，楼盖约束作用将显著降低新型轻钢复合墙体的耐火极限，例如，在荷载比率为0.9的情况下，有楼盖约束(μ=5)的钢蒙皮布置在受火侧的ALC-玻特板覆面复合墙体试件S1，S3的耐火极限较无楼盖轴向膨胀约束(μ=0)时平均下降了33.33%。