工业建筑钢筋混凝土剪力墙高温条件下力学性能研究

杜晶

（四川省化工设计院，成都 610015）

1 引言

工业建筑钢筋混凝土剪力墙是一种常见的建筑结构，不仅能承受水平荷载[1]，还能承受相应的竖向荷载。混凝土剪力墙具有良好的抗震稳定性、隔热性、隔音性，因此，被广泛应用于高层楼房及工业厂房等不同类型的建筑结构中[2]。混凝土墙体由水平钢筋和竖向钢筋交叉连接组成，形成刚性框架，抵抗外部作用力。研究表明，在高温环境下，钢筋混凝土剪力墙的性能会发生一定的改变[3]，首先，高温会促使混凝土内部的水分蒸发，导致混凝土干燥、龟裂，降低混凝土的强度[4]；其次，高温会引发混凝土碳化反应，降低其耐久性；最后，高温会降低混凝土剪切强度，导致混凝土的抗剪性不足，为了制订合理的混凝土剪力墙高温处理方案，需要对其高温力学性能进行研究。

相关研究人员采用了多种实验法研究剪力墙的力学性能[5]，并对其应力破坏模式进行了深入分析，部分研究人员还针对高温条件下钢筋混凝土剪力墙的材料性能进行了研究，分析了材料的热工性能、微观结构和化学成分等，探讨了高温对材料性能的影响及其作用机制。这些研究成果为改进材料的热工性能和提高结构的稳定性提供了指导。

数值模拟是一种计算机模拟法，可以建立数值模型，模拟剪力墙在高温条件下的力学性能，并对其在不同温度下的变形、应力和破坏模式等进行预测和分析。因此，本文结合数值模拟技术研究了工业建筑钢筋混凝土剪力墙高温条件下的力学性能，为推动工业建筑发展提供更加全面的数据支持。

2 建立仿真模型

结合工业建筑钢筋混凝土剪力墙的实际特点，首先建立了16 组剪力墙组合模型（编号为ACR01～ACR16），组合模型的轴压比为0.2，属于双钢板开洞剪力墙，层高为5 400 mm，剪力墙截面尺寸为4 000 mm×300 mm，洞口尺寸为2 200 mm×800 mm。根据混凝土剪力墙力学性能研究要求，采用厚度为10 mm 的Q235 钢板辅助C30 混凝土进行固定，模型尺寸如图1 所示。

图1 钢筋混凝土剪力墙仿真模型尺寸（单位：mm）

由图1 可知，该模型的上下端自由，边界条件相对固定，在力学性能分析的过程中，可以根据模型表面的耦合关系向内侧设置竖向参考点，将原本的双向高温条件转变为单向高温条件。

待上述步骤完毕后，再按照国际制（ISO）标准进行升温处理，完成墙体的水平加载。

3 高温条件下钢筋混凝土剪力墙力学性能分析

3.1 高温时刻下混凝土剪力墙的力学性能变化

将仿真模型的边界条件全部固定，忽略顶部加载梁，此时可以设置参考点，模拟火灾环境。随着混凝土剪力墙在高温环境下时间的增加，混凝土剪力墙发生的形变量越来越大，此时凝土剪力墙模型的时间-挠度变化见表1。

表1 混凝土剪力墙时间-挠度变化表

由表1 可知，混凝土剪力墙在高温环境下的时间越长，其挠度越低，剪力墙会逐渐偏离原始位置，难以正常承受荷载。

除此之外，当承受高温的时间过长时，混凝土剪力墙会发生褶皱，导致局部弯曲变形，最大形变量为0.084 mm。

3.2 不同受火位置下混凝土剪力墙力学性能变化

根据力学性能分析要求，在混凝土剪力墙的顶部、侧边布置4 个不同的受温点，布设点距离受温面的距离分别为X1=0 mm，X2=100 mm，X3=200 mm，X4=300 mm，此时的侧面挠度-时间表如下表2 所示。

由表2 可知，随着时间增加，着温面发生了大幅度的挠度变化，且受火面的整体挠度持续下降，混凝土剪力墙的强度逐渐降低，受火后期，剪力墙逐渐达到耐火极限，发生了严重的弯曲变形。根据上述的侧面挠度-时间表可知，剪力墙挠度变化率不随温度场变化而变化，即沿着温度场方向的挠度相同。靠近洞口位置的轴向位移低于原理洞口的轴向位移。随着受火面温度增加，剪力墙的强度和刚度持续下降，正负挠度随之发生变化。

3.3 高温条件下混凝土剪力墙轴压比力学性能

选取规格一致，编号不同的试件进行轴压比力学性能分析，此时，高温及常温条件下，不同轴压比下的钢材屈服强度性能见表3。

表3 高温及常温条件下不同轴压比下的钢材屈服强度性能

由表3 可知，在高温与常温环境下，随着混凝土剪力墙试件轴压比不断增加，钢材屈服强度均逐渐增加，达到临界点后又逐渐下降，高温条件下钢材的屈服强度变化阈值更高，证明高温对混凝土剪力墙力学性能有明显影响。

综上所述，高温对钢筋混凝土剪力墙的力学性能有显著影响，随高温时间的增加，混凝土剪力墙的挠度逐渐减小，强度随之下降；不同受温点的屈服距离变化位移不同，但弯曲程度均随时间增加而增加；当混凝土剪力墙轴压比增加时，其屈服力变化明显。

4 结语

工业建筑中存在大量的易燃易爆物品，如化工原料、油料、可燃气体等，这些物品在高温条件下容易引发火灾。一旦发生火灾，钢筋混凝土剪力墙作为工业建筑结构的重要组成部分，其力学性能的变化将直接影响整个建筑的安全性和稳定性。因此，研究高温条件下钢筋混凝土剪力墙的力学性能对于保障工业建筑在火灾中的安全具有重要意义。本文根据钢筋混凝土剪力墙的温度分布状态，进行了耦合分析，结合数值模拟法研究了混凝土剪力墙高温条件下的力学性能，旨在为我国的建筑行业和消防安全领域的发展做出一定的贡献。