钢箱混凝土剪力墙砂浆防火隔热层性能分析

吴泉霖，何 军，刘金松

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010）

关键字：耐火极限；隔热层；钢箱混凝土剪力墙；高温；火灾行为

0 前言

在日常生活中，火源、燃烧物无处不在，火灾发生几率很高。超高层建筑为人员密集场所，若发生火灾会严重威胁人们的生命财产安全，对环境产生影响，造成严重的社会问题。

超高层建筑常采用钢结构或组合结构，其中抗侧力关键构件一般为塔楼中部的核心筒，而钢箱混凝土剪力墙承载力高，延性优异，在超高层结构核心筒中应用具有独特优势。但钢材屈服强度、弹性模量随温度升高会明显降低，在火灾的高温作用下，钢或外包钢混凝土组合构件达到一定温度后易迅速屈曲失效导致建筑的倒塌，耐火性能不足，需采取有效的防火措施［1，2］。

1 工程概况

某超高层建筑位于广州市白云新城中央商务区，项目占地面积2.33 万m2，总建筑面积为19.4 万m2，地下4层，地上36层，为超大型综合建筑，集商业、娱乐、高档办公楼于一体，1～6层裙房为商业、银行、餐厅、会议中心，7～36 层塔楼为写字办公楼，其中主塔楼高150 m，采用框架-核心筒结构，地震设防烈度7 度，设计基本地震加速度值0.10 g，设计地震分组为第一组，场地类型为Ⅱ类。基本风压值为0.50 kN/m2。塔楼外框筒由钢管混凝土柱-钢梁组成，核心筒墙体均采用钢箱混凝土剪力墙，核心筒与外框筒采用U 型钢-混凝土组合梁进行连接。建筑实景如图1 所示，标准层结构如图2所示。

图1 建筑实景Fig.1 The Photo of the Building

2 防火方案选择

根据《建筑设计防火规范:GB 50016-2014》，本工程属于一类公共建筑，核心筒钢箱混凝土剪力墙构件耐火等级为一级，耐火极限为3 h。

目前钢或钢-混凝土组合构件的防火做法常用的有以下几种:

图2 塔楼标准层结构平面Fig.2 The Standard Floor Plan of the Tower

⑴外包防火层。采用预制防火板或不燃烧且热容量大的材料，如现浇混凝土或防火砂浆外包覆被保护构件，在火灾时隔离热源，从而提高这些构件的耐火极限。

⑵防火涂料。防火涂料分为膨胀型（薄涂型）和非膨胀型（厚涂型），膨胀型防火涂料在高温时能迅速膨胀，形成数十倍的泡沫碳质层，能有效隔绝火源，由于薄涂型施工简便，装饰效果好，在工程实践中应用越来越多。

⑶疏导法。疏导法允许钢材受热升温，但是通过技术手段将热量及时传导出去，使构件温度不至于达到临界温度，从而起到保护作用。然而这种防火手段对设计要求比较高，此种做法应用较少。

⑷耐火钢。通过在钢材中加入微量的Cr、Mo、Nb 等稀有元素，制成耐高温的新型耐火钢材，可以在温度高达600 ℃时屈服强度依然能保证常温时的2/3以上。采用耐火钢的结构，可以大大减少防火涂层厚度甚至取消防火涂层，节省成本。

采用防火涂料或防火板对钢构件进行防火保护是常见的做法，这方面研究也已很成熟［3］，但防火涂料或防火板造价高，且对施工工艺要求较高，施工速度偏慢，也不利于后期装修作业。为保证施工进度，综合考虑造价及后期装修施工、物业维护便利性等因素，本项目钢箱混凝土剪力墙采用表面喷涂普通砂浆保护层作为防火隔热层，砂浆强度为M7.5，厚度为70 mm，通过挂网批荡方式进行施工。为了防止砂浆保护层受火时明显开裂，砂浆内设置内外2层钢筋网。防火层具体做法大样如图3所示。

砂浆防火层施工工序如下:表面除锈➝焊接固定栓钉➝披挂底层钢筋网➝披挂面层钢筋网➝绑扎固定➝70 mm分层喷涂砂浆➝找平。

施工现场如图4所示。

钢箱混凝土剪力墙作为关键的竖向受力构件，钢板外包面积大，但厚度较薄，与常规钢混凝土组合构件不同，目前对其耐火极限性能研究较少，有必要通过定量分析验证该防火做法的有效性以提供设计依据。

图3 钢箱混凝土剪力墙防火层做法大样Fig.3 The Detail of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall

图4 钢箱混凝土剪力墙防火层施工现场Fig.4 The Construction Site of the Fire Insulation Layer of Concrete Filled Steel Box Shear Wall

3 砂浆保护层防火性能分析

3.1 几何模型

几何模型取代表性的一段钢箱混凝土剪力墙，如图5 所示。计算单元墙厚500 mm，长3 500 mm，高1 600 mm，钢板采用Q345钢材，外包钢板厚度10 mm，内部加劲隔板厚度为8 mm。钢箱腔体中填充高强混凝土，强度等级为C60。

图5 外包钢板混凝土剪力墙计算单元Fig.5 The Calculation Unit of Concrete Filled Steel Box Shear Wall

3.2 钢材的热工参数3.2.1 导热系数

钢材的导热系数因钢材种类不同而略有不同，但除不锈钢等特殊钢材外，导热系数基本接近，学者Lie T T［4］提出钢材导热系数与温度的关系式为:

式中，导热系数单位为W/（m·℃）。

3.2.2 比热与容重

钢材的容重基本不随温度变化，一般取ρs=7 850 kg/m3。钢材在725℃时，内部颗粒成分发生变化，比热增加。文献［4］给出的钢材比热与容重乘积的关系式如下:

式中:比热的单位为J/（kg·℃）。

3.3 混凝土的热工参数

3.3.1 导热系数

混凝土的导热系数主要取决于各组成成分的热传导率，主要影响因素为骨料含量和含水量，文献［4］提出的混凝土导热系数与温度的关系式为:

式中:导热系数单位为W/（m·℃）。

3.3.2 比热与容重

混凝土在高温状态下，因为自由水的蒸发，容重会略有降低，但是可以认为基本不随温度变化，一般取ρc=2 350 kg/m3。文献［4］给出的混凝土比热与容重乘积的关系式如下:

式中，比热的单位为J/（kg·℃）。

3.4 普通砂浆的热工参数

普通砂浆的热工参数如下:导热系数为1.03 W/（m·℃），质量热容为840 J/（kg·℃），密度为1 780 kg/m3。

3.5 边界条件

火灾作用下，外界空气向结构表面传热方式主要是热对流和热辐射，而结构内部传热方式则主要是热传导。假定砂浆保护层和钢板之间，钢板和混凝土之间均为理想传热条件，且钢箱混凝土剪力墙处于四面受火状态，参考ECCS中的取值，热对流系数在受火面取25 W/（m·℃），热辐射系数取0.5，并在Abaqus 软件中定义绝对零度为-273 ℃，定义Stefan-Boltzmann 常数为5.669 7×10-8。

火灾下热边界条件中环境温度变化曲线按ISO-834 标准升温曲线［5］，如图6 所示，受火边界条件假定如图7、图8所示。

3.6 温度计算结果分析

将不设置普通砂浆保护层的钢箱混凝土剪力墙与设置70 mm 厚普通砂浆保护层的钢箱混凝土剪力墙进行对比分析，受火200 min 时温度场的计算结果云图分别如图9所示。

由图9 可发现，受火200 min 后，未设置保护层的钢箱混凝土剪力墙，温度由外向内逐渐升高，由于钢材的导热性能良好，温度最高的部位集中在钢箱的四个角部区域和中间钢隔板处，钢箱外围一圈的温度和火灾温度相同，达到1 125 ℃。钢箱中间隔板温度最低点位于中间区域，温度达到280 ℃。混凝土的导热性能较差，平均温度相对较低，但是各个腔体内紧贴外围钢板的混凝土温度达到了1 000 ℃，距离外围钢板一定距离后，混凝土温度快速下降至500 ℃左右，内部核心区范围混凝土温度较低，不到100 ℃。

图6 ISO-834标准升温曲线Fig.6 The ISO-834 Standard Temperature Rise Curve

图7 模型受火环境条件Fig.7 The Model's Fire Environment Condition

图8 模型传热边界条件Fig.8 The Model's Heat-transfer Boundary Condition

图9 钢箱混凝土剪力墙温度云图（受火200min）Fig.9 The Temperature Cloud Chart of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall（200 Mins under Fire）

钢板表面喷抹70 mm 厚水泥砂浆后，由于砂浆的隔热作用，钢箱混凝土剪力墙整体上温度大大降低。受火200 min 后仍是外圈钢板温度最高，角点的温度达到630 ℃，平均温度在450 ℃左右。内部混凝土则除了紧贴钢板的小范围薄层混凝土温度较高外，大部分区域的温度均低于200 ℃。对比可知，砂浆保护层能有效隔离热源，使得钢箱混凝土剪力墙在同样条件的火灾作用下构件温度大大降低。图10 为设置70 mm 厚普通砂浆保护层后，钢箱混凝土剪力墙在火灾作用下局部放大后的温度云图。

图10 70mm厚砂浆保护层钢箱混凝土剪力墙局部放大温度云图Fig.10 The Enlarged Temperature Cloud Chart of the Concrete Filled Steel Box Shear Wall with 70 mm Mortar Layer

4 设置砂浆保护层钢箱混凝土剪力墙耐火极限性能分析

4.1 耐火极限性能分析的有限元模型定义

耐火极限分析采用大型通用有限元分析软件ABAQUS 进行，采用顺序热力耦合的方式，首先建立火灾下钢箱混凝土剪力墙的耐火性能有限元分析模型，然后进行火灾下的钢板剪力墙热分析，得出构件温度场，再将分析得出的温度场结果作为荷载耦合入计算模型进行静力分析，得出外包钢板混凝土组合剪力墙采用普通砂浆作为防火保护层的耐火极限及结构的应力分布及变形［6，7］。

分析时截取长1 500 mm、高1 600 mm 的钢箱混凝土剪力墙进行分析计算，构件划分为3 维实体单元［8］。受火条件详见本文第3 节，钢板混凝土剪力墙抗震等级为二级，轴压比偏保守取为抗震等级二级时剪力墙构件的极限值0.6，相应竖向荷载为29 000 kN。钢箱混凝土剪力墙分析时只考虑钢板和混凝土参与受力，砂浆保护层只看作附加在构件表面的荷载，不考虑其对构件承载力的贡献。

由于温度不断升高时，钢材和混凝土的力学行为也在不断变化，与正常工作状态下的力学性能不同，需对钢材及混凝土在升温过程的应力-应变曲线进行定义。

4.2 钢材的热力学性能

高温下钢材的力学性能与常温下力学性能相去甚远，普通钢材在超过400 ℃后屈服强度开始降低，在900 ℃以上几乎完全丧失承载能力。为了模拟钢材的热力学性能，采用欧洲规范《EN 1993-1-2:2005》［9］中建议的高温下钢材应力-应变关系表达式:

其中，εp（T）=fp（T）/Es（T），εy（T）=0.02，εt（T）=0.15，εu（T）=0.2，a2=［εy（T）-εp（T）］［εy（T）-εp（T）+c/Es（T）］，b2=c［εy（T）-εp（T）］Es（T）+c2，c=［fy（T）-fp（T）］2/｛［εy（T）-εp（T）］Es（T）-2［fy（T）-fp（T）］｝。

钢材的热膨胀系数采用文献［4］提出的公式:

4.3 混凝土的热力学性能

混凝土在高温下的本构曲线采用Lie提出的公式:

其中，εmax=0.002 5+（6T+0.04T2）×106，

混凝土的热膨胀系数按照欧洲规范《EN1992-1-2:2004》［7］或者文献［4］建议的6×10-6。

4.4 耐火极限判定方法

耐火极限的判定方法参考《建筑构件耐火试验方法:GB/T 9977.1-2008》［10］中的规定，当满足以下条件时即判断试件达到耐火极限:

⑴试件轴向压缩变形量达到1%L（模型高1 600 mm，即轴向变形达到16 mm）；

⑵试件轴向压缩变形速率达到0.3%L/min；

⑶试件无法继续承担所施加的设计荷载。

4.5 耐火极限计算结果

轴向施加29 000 kN 荷载后，钢板混凝土剪力墙竖向压缩变形为-0.66 mm，然后继续在火灾作用下受火200 min。轴向压力在受火过程一直保持29 000 kN没有变化，由于材料的热膨胀作用，竖向变形先是反向增加至+1.17 mm，继而由于材料在高温状态下工作性能下降，竖向压缩变形不断增大，最终200 min 时的轴向变形为-0.6 mm。轴向压缩变形量及轴向压缩变形速率均远小于规定的耐火极限值，而且轴压力及设计荷载也保持不变，即构件无继续承担所施加的设计荷载。因此可以认为钢箱剪力墙在保护层的保护下，能够保持正常工作至少3 h，满足规范要求的3 h 耐火极限要求［11］。

5 结论及展望

本文对某超高层建筑钢箱混凝土剪力墙提出了采用70 mm 厚普通砂浆作为防火层隔热层的防火做法，利用ABAQUS 软件对钢箱混凝土剪力墙构件进行了热力学仿真分析，验证了设置一定厚度普通砂浆保护层的钢箱混凝土剪力墙，在火灾作用下能满足规范要求的耐火极限，该防火措施施工简便，节省造价，节约工期，可在类似项目中参考使用。