仇浩宇，王中强

（长沙理工大学 土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

钢板剪力墙作为一种抗侧力构件，具有良好的延性、耗能能力等，从20世纪70年代开始便逐渐被应用到实际工程中，但钢板剪力墙也存在容易发生平面外屈曲等不足，为此一些学者经过长期的研究提出了防屈曲钢板剪力墙[1]。防屈曲钢板剪力墙（简称BRW）是一种新型的抗侧力约束耗能构件，由内侧钢板与两侧的预制混凝土盖板通过穿透三块板的螺栓连接而成。其中，内侧钢板作为核心抗侧力构件承受水平荷载，两侧的预制混凝土盖板作为防屈曲约束构件起到面外约束的作用，整体结构中只有内侧钢板与框架梁和框架柱直接相连，外侧预制混凝土盖板则与框架梁和框架柱留有一定的间隙。防屈曲钢板剪力墙具有滞回曲线饱满、侧向力作用下不易屈曲、对框架柱无附加弯矩作用等优点，近年来逐渐被应用于实际工程中，具有广阔的应用前景。

在我国经济、科技不断发展的背景下，越来越多的建筑开始向高层化方向发展。剪力墙构件以其良好的抗震性能被广泛应用于高层建筑中，是高层建筑中主要的抗侧力构件。近年来，因各种因素导致的建筑火灾频发。建筑火灾危害极大，不仅会威胁到人们的生命财产安全，还会对建筑结构产生巨大的破坏。研究表明，当受火温度达到650℃以上时，钢材基本丧失全部强度，失去承载能力而不能继续使用，而混凝土强度也会在超过600℃后急剧下降，因此对剪力墙构件开展在火灾条件下的性能研究具有重要现实意义。目前，人们对防屈曲钢板剪力墙在常温下的力学性能和抗震能力进行了大量的研究，但对其在高温中及高温后的性能研究较少。

本文采用ABAQUS有限元分析软件建立防屈曲钢板剪力墙模型，结合传热分析的基本理论对其在火灾条件下的温度场进行了分析，其中考虑了防屈曲钢板剪力墙在单面受火与双面受火中所产生的温度场差异情况。分析可为后续研究防屈曲钢板剪力墙在火灾中及火灾后的力学性能提供参考。

1 温度场分析概述

1.1 传热基本理论

传热学是一门研究热量传递规律的学科，提出凡是有温差存在的地方，就会有热量自发地从高温物体传递至低温物体，这种现象广泛存在于在自然界和各种生产领域中。传热的基本方式有三种，分别是热对流、热传导和热辐射。其中，因为热辐射是以对外辐射电磁能量的形式传热，所以热量的传递不需要介质，即使在真空中也可以完成热量传递，而热对流和热传导则需要介质来实现热量传递的过程。热传导、热对流、热辐射三者往往同时存在于实际的传热过程中，比如在火灾条件下，热空气会通过热对流和热辐射的方式向构件表面传递热量，而热量又通过热传导的方式在构件内部进行传递。

通过传热分析可以得到构件在模拟火灾条件下的温度场，由温度场可以清楚了解构件内部各点温度分布的情况，以此分析构件在模拟火灾条件下内部热量的传递情况。传热分析根据构件节点的温度是否随时间变化而变化可分为稳态传热分析和瞬态传热分析，相应的温度场也可分为稳态温度场和瞬态温度场。

1.2 温度场分析的基本假设

在对有限元模型进行温度场分析的过程中，考虑到影响温度场的因素众多，因此本文在分析的过程中提出了如下假设，以此简化分析过程：

（1）结构中混凝土、钢材均为各向同性材料，其材料热工参数均不随方向改变而改变；

（2）不考虑板内钢筋的作用；

（3）分析过程中忽略混凝土盖板与钢板之间的微小缝隙；

（4）构件在受火时不考虑内部热源的产生；

（5）分析时忽略应力应变对温度场的影响。

2 有限元模型建立与分析方法

2.1 模型简介

本文采用ABAQUS软件进行分析，建立的防屈曲钢板剪力墙有限元模型如图1所示，模型由内侧钢板、预制混凝土盖板、连接螺栓和框架梁柱组成。内侧钢板平面尺寸选为6000×3300mm，厚度为30mm，其与周边框架梁柱直接连接。外侧预制混凝土盖板平面尺寸选为5800×3100mm，厚度为100mm，其在钢板两侧均有布置;混凝土盖板与周边框架梁柱之间的间隙值取100mm，满足罕遇地震下最大层间位移角限值1.5倍的要求。连接螺栓选为直径30mm，长度230mm，螺栓按5排8列的方式排列，其穿过内侧钢板和两侧混凝土盖板。框架梁柱均为H型钢，尺寸均为H750×450×30×35mm。

图1 防屈曲钢板墙模型图

在防屈曲钢板剪力墙模型中，内侧钢板和框架梁柱之间通过ABAQUS里的Tie约束功能绑定在一起。同理，框架梁与框架柱相接的梁柱节点、螺栓与钢板间的接触面以及螺栓与混凝土盖板间的接触面也通过Tie约束进行绑定。在内侧钢板和混凝土盖板间的接触面上设置面对面接触相互作用，其中法向设置为“硬”接触，切向设置为库仑摩擦模型，并设置热传导。

在温度场分析中，单元类型的选择与网格的布置会对最后的运算结果产生影响。为了保证运算过程的精确性，在模型中选择了DC3D8八结点线性传热六面体单元作为热传递单元进行分析。在网格划分中，连接螺栓取20mm近似全局尺寸进行网格划分，其余构件取150mm近似全局尺寸进行网格划分，最终网格划分见图2。

图2 有限元模型网格划分图

2.2 材料参数的确定

研究表明，在高温环境下，钢材与混凝土的各项性能参数会随着温度升高而发生变化，所以在进行温度场分析时，必须考虑材料性能参数随温度变化而发生的改变。

2.2.1 钢材相关参数

本文中所有钢材均选用Q235钢，高温下钢材的密度ρs取定值7850kg/m3，泊松比ν取定值0.3。钢材在高温下的导热系数λ(W/m℃)和比热容C（J/kg℃）参考欧洲规范[2]给出的公式取值：

2.2.2 混凝土相关参数

本文中预制混凝土盖板选用的混凝土强度等级为C45，混凝土高温下的密度ρc参考相关文献[4]中提出的数值取定值2400 kg/m3，泊松比ν取定值0.2。混凝土在高温下的导热系数λ（W/m℃）和比热容C（J/kg℃）参考欧洲规范[5]给出的公式取值：

混凝土的热膨胀系数α参考T.T.Lie[6]给出的公式取值：

2.3 模拟火灾条件下的基本过程

建筑火灾发生时，由于内部环境状况的不同，往往导致火灾发展的速度趋势不同。本文在分析过程中采用标准ISO-834升温曲线模拟火灾条件下的温度状况，曲线公式如下：

式中：T为时刻t时的温度，℃；T0为环境初始温度，℃；t为构件受火的时长，min。防屈曲钢板剪力墙模型受火前，假设其整体温度等于环境初始温度，并取T0为20℃。为重点分析防屈曲钢板剪力墙在火灾条件下内部的传热模式和温度场分布情况，在分析时限定墙面板区域为受火面，即框架梁柱除了墙板方向内侧区域外其余区域不直接受火，并考虑了墙面板区域单面受火和双面受火时对模型整体温度场的影响，受火方式图见图3。

图3 受火方式图

3 温度场结果分析

3.1 中截面温度云纹图分析

在温度场分析时，对防屈曲钢板剪力墙有限元模型分别按照单面受火和双面受火的方式加热100min后得到模型整体温度云图，分别取整体模型沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向中截面切开后的温度云纹图进行分析，温度云纹图分别见图4、图5和图6。

图4 X轴方向中截面温度云纹图

图5 Y轴方向中截面温度云纹图

图6 Z轴方向中截面温度云纹图

观察X轴方向温度云纹图，在模型单面受火100min后，受火面混凝土板最外侧温度达到1000℃左右，当向内侧钢板方向移动时温度逐渐下降。靠近钢板中部位置温度下降80%以上，而越靠近钢板上下两端，温度下降的趋势越弱。另一侧混凝土板温度基本接近室温，而与钢板相连接的框架梁处温度也出现从受火面向不受火面逐渐递减的趋势。相对于单面受火，双面受火的温度场呈现出包裹的趋势，此时混凝土板和钢板内部各处温度相较于单面受火时均有上升，与钢板相接处的框架梁位置温度也有上升。观察Y轴方向温度云纹图，受火面混凝土板表面温度基本达到1000℃左右，但螺栓位置处表面温度相对要低一些，而与钢板两侧相连接的框架柱连接处温度也呈现逐渐递减的趋势。观察Z轴方向温度云纹图，在钢板不被混凝土板覆盖的区域，即混凝土板与框架梁柱间留设间隙处温度非常高，其温度场呈现出向周边逐渐递减的趋势。双面受火时，明显观察到螺栓位置温度高于周边区域。

3.2 Z轴方向点的温度时间变化图分析

为了进一步分析防屈曲钢板剪力墙模型内部温度场的分布情况，取内侧钢板中部位置点为原点，沿Z轴取A、B、C、D、E、F、G共7个点建立不同厚度位置处的温度随时间变化图，其中A、B、C、D、E、F、G的距中距离分别为+115mm、+65mm、+15mm、0mm、-15mm、-65mm、-115mm，如图7和图8所示。

图7 测点位置图

图8 点的温度时间变化图

从图中可以发现单面受火时，靠近受火面处点的温度时间变化曲线近似于标准升温曲线，而远离受火面处点的曲线上升幅度不大。双面受火时，两侧点的温度时间变化曲线呈现出对称分布趋势，越靠近中部位置曲线的上升幅度越小，但相较于单面受火时，曲线的上升幅度都有提高。

4 结论

通过采用ABAQUS对防屈曲钢板剪力墙进行火灾条件下的温度场分析，同时分别考虑了单面受火和双面受火时对温度场分析结果的影响，得出了以下结论：

（1）在对防屈曲钢板剪力墙模型按照标准ISO-834曲线模拟火灾条件下的升温变化时，受火面侧混凝土板整体温度上升较快，越靠近内侧钢板的位置温度上升的速度越慢。在单面受火中，受火面混凝土板整体温度上升的速度远大于内侧钢板和背火面混凝土板。在双面受火中，两侧混凝土板整体温度上升的速度同样远大于内侧钢板；

（2）在单面受火和双面受火中，内侧钢板整体温度上升的趋势都较为平缓，但不同位置处温度上升的速度并不一样。从Z轴方向看，内侧钢板周边无混凝土板覆盖的区域温度上升的速度很快，越靠近钢板中心的区域温度上升的趋势越平缓。在混凝土板侧，连接螺栓的温度低于附近混凝土板区域的温度，温度场呈现出圆形中心辐射的特征；

（3）双面受火时，内侧钢板同一部位温度上升的趋势高于单面受火，说明不同的受火方式会影响防屈曲钢板剪力墙内部的温度场分布。