工業建筑鋼筋混凝土剪力墻高溫條件下力學性能研究

杜晶

（四川省化工設計院，成都 610015）

1 引言

工業建筑鋼筋混凝土剪力墻是一種常見的建筑結構，不僅能承受水平荷載[1]，還能承受相應的豎向荷載?；炷良袅哂辛己玫目拐鸱€定性、隔熱性、隔音性，因此，被廣泛應用于高層樓房及工業廠房等不同類型的建筑結構中[2]?；炷翂w由水平鋼筋和豎向鋼筋交叉連接組成，形成剛性框架，抵抗外部作用力。研究表明，在高溫環境下，鋼筋混凝土剪力墻的性能會發生一定的改變[3]，首先，高溫會促使混凝土內部的水分蒸發，導致混凝土干燥、龜裂，降低混凝土的強度[4]；其次，高溫會引發混凝土碳化反應，降低其耐久性；最后，高溫會降低混凝土剪切強度，導致混凝土的抗剪性不足，為了制訂合理的混凝土剪力墻高溫處理方案，需要對其高溫力學性能進行研究。

相關研究人員采用了多種實驗法研究剪力墻的力學性能[5]，并對其應力破壞模式進行了深入分析，部分研究人員還針對高溫條件下鋼筋混凝土剪力墻的材料性能進行了研究，分析了材料的熱工性能、微觀結構和化學成分等，探討了高溫對材料性能的影響及其作用機制。這些研究成果為改進材料的熱工性能和提高結構的穩定性提供了指導。

數值模擬是一種計算機模擬法，可以建立數值模型，模擬剪力墻在高溫條件下的力學性能，并對其在不同溫度下的變形、應力和破壞模式等進行預測和分析。因此，本文結合數值模擬技術研究了工業建筑鋼筋混凝土剪力墻高溫條件下的力學性能，為推動工業建筑發展提供更加全面的數據支持。

2 建立仿真模型

結合工業建筑鋼筋混凝土剪力墻的實際特點，首先建立了16 組剪力墻組合模型（編號為ACR01～ACR16），組合模型的軸壓比為0.2，屬于雙鋼板開洞剪力墻，層高為5 400 mm，剪力墻截面尺寸為4 000 mm×300 mm，洞口尺寸為2 200 mm×800 mm。根據混凝土剪力墻力學性能研究要求，采用厚度為10 mm 的Q235 鋼板輔助C30 混凝土進行固定，模型尺寸如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土剪力墻仿真模型尺寸（單位：mm）

由圖1 可知，該模型的上下端自由，邊界條件相對固定，在力學性能分析的過程中，可以根據模型表面的耦合關系向內側設置豎向參考點，將原本的雙向高溫條件轉變為單向高溫條件。

待上述步驟完畢后，再按照國際制（ISO）標準進行升溫處理，完成墻體的水平加載。

3 高溫條件下鋼筋混凝土剪力墻力學性能分析

3.1 高溫時刻下混凝土剪力墻的力學性能變化

將仿真模型的邊界條件全部固定，忽略頂部加載梁，此時可以設置參考點，模擬火災環境。隨著混凝土剪力墻在高溫環境下時間的增加，混凝土剪力墻發生的形變量越來越大，此時凝土剪力墻模型的時間-撓度變化見表1。

表1 混凝土剪力墻時間-撓度變化表

由表1 可知，混凝土剪力墻在高溫環境下的時間越長，其撓度越低，剪力墻會逐漸偏離原始位置，難以正常承受荷載。

除此之外，當承受高溫的時間過長時，混凝土剪力墻會發生褶皺，導致局部彎曲變形，最大形變量為0.084 mm。

3.2 不同受火位置下混凝土剪力墻力學性能變化

根據力學性能分析要求，在混凝土剪力墻的頂部、側邊布置4 個不同的受溫點，布設點距離受溫面的距離分別為X1=0 mm，X2=100 mm，X3=200 mm，X4=300 mm，此時的側面撓度-時間表如下表2 所示。

由表2 可知，隨著時間增加，著溫面發生了大幅度的撓度變化，且受火面的整體撓度持續下降，混凝土剪力墻的強度逐漸降低，受火后期，剪力墻逐漸達到耐火極限，發生了嚴重的彎曲變形。根據上述的側面撓度-時間表可知，剪力墻撓度變化率不隨溫度場變化而變化，即沿著溫度場方向的撓度相同?？拷纯谖恢玫妮S向位移低于原理洞口的軸向位移。隨著受火面溫度增加，剪力墻的強度和剛度持續下降，正負撓度隨之發生變化。

3.3 高溫條件下混凝土剪力墻軸壓比力學性能

選取規格一致，編號不同的試件進行軸壓比力學性能分析，此時，高溫及常溫條件下，不同軸壓比下的鋼材屈服強度性能見表3。

表3 高溫及常溫條件下不同軸壓比下的鋼材屈服強度性能

由表3 可知，在高溫與常溫環境下，隨著混凝土剪力墻試件軸壓比不斷增加，鋼材屈服強度均逐漸增加，達到臨界點后又逐漸下降，高溫條件下鋼材的屈服強度變化閾值更高，證明高溫對混凝土剪力墻力學性能有明顯影響。

綜上所述，高溫對鋼筋混凝土剪力墻的力學性能有顯著影響，隨高溫時間的增加，混凝土剪力墻的撓度逐漸減小，強度隨之下降；不同受溫點的屈服距離變化位移不同，但彎曲程度均隨時間增加而增加；當混凝土剪力墻軸壓比增加時，其屈服力變化明顯。

4 結語

工業建筑中存在大量的易燃易爆物品，如化工原料、油料、可燃氣體等，這些物品在高溫條件下容易引發火災。一旦發生火災，鋼筋混凝土剪力墻作為工業建筑結構的重要組成部分，其力學性能的變化將直接影響整個建筑的安全性和穩定性。因此，研究高溫條件下鋼筋混凝土剪力墻的力學性能對于保障工業建筑在火災中的安全具有重要意義。本文根據鋼筋混凝土剪力墻的溫度分布狀態，進行了耦合分析，結合數值模擬法研究了混凝土剪力墻高溫條件下的力學性能，旨在為我國的建筑行業和消防安全領域的發展做出一定的貢獻。