火灾下钢筋混凝土墙计算模型及影响因素分析.pdf

第 3 3卷 第 1期 2 0 1 1年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 No 1 Fe b2O 11 火灾下钢筋混凝 土墙计算模型及影响因素分析 郑 ( 1 福建工程 学院 土木工程 系，福 永乾 ， 蔡 雪峰 2 州 3 5 0 1 0 8 ；2 福州大学 土木 工程学院，福 州 3 5 0 1 0 8 ) 摘 要 ： 采用有 限元软 件 A B AQUS对火 灾下钢 筋混凝 土墙 的 变形全 过程 进行 了计算 ， 计 算结 果与 以往 实验 结果吻合较好 。在此基 础 上 ， 系统分 析 了轴 压 比、 侧 向荷 栽 比 、 高厚 比、 墙厚 度 、 混 凝 土抗 压强度 、 钢 筋屈服 强度 、 配筋 率和混凝 土保 护层 厚 度对 钢 筋混 凝 土墙 变形 和耐 火极 限 的影 响规律 。 研 究结果表 明 ， 受 火过 程 中， 钢 筋混凝 土墙 在 无侧 向荷 载且 轴压 比或 墙 厚度 较 大 、 高厚 比较 小等情 况下容 易发 生反 向挠度 现 象， 在 工程 常 用参 数 范 围 内 ， 墙 耐 火极 限随 着轴 压 比、 侧 向荷 载 比、 高厚 比、 钢 筋屈服 强度 或配 筋率的增加 而减 小， 随着墙厚度 或混凝 土强度 的增加 而增加 。 关键词 ： 钢筋 混凝 土 ； 墙 ； 计 算模 型 ； 影响 因素 ； 有 限元 中图分类 号 ： T U3 5 2 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： l 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 O 1 1 ) 0 1 - 0 0 2 4 0 7 Co mpu t a t i o n a l M o d e l a n d I nf l u e n c i n g Fa c t o r Ana l y s i s o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e W a l l s u n d e r Fi r e ZHE NG Yo n g q i a n CAI Xu e f e n g ( 1 De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Fu j i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Fu z h o u 3 5 0 1 0 8，P RCh i n a ； 2 Col l e ge of Ci vi l Eng i ne e r i ng，Fu z ho u Un i ve r s i t y，Fu z h ou 35 01 0 8，PRCh i n a) Ab s t r a c t ：Th e f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ABAQUS i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e d e f o r ma t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa l l s u nd e r f i r e The c a l c ul a t e d r e s u l t s a g r e e we l l wi t h pr e v i o us e x p e r i me n t a l r e s u l t s Ba s e d on t h e f i ni t e e l e me nt m o d e l ，t he i nf l u e n c e s o f s u c h p a r a m e t e r s a s a xi a l l o a d l e v e l ，l a t e r a l l oa d l e v e l ，h e i ght t o t h i c k n e s s r a t i o， wa l l t h i c kn e s s， c o nc r e t e c omp r e s s i ve s t r e n gt h， s t e e l r e i n f o r c e me nt yi e l d s t r e ng t h， s t e e l r e i n f o r c e I T I e n t r a t i o a n d 0 0 n e r e t e P r o t e c t i o n t h i c k n e s s o n d e f o r ma t i o n a n d f i r e r e s i s t a n c e o f wa l l s a r e a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y I t i s f ou nd t ha t ， un d e r t h e c o n di t i o ns o f bi g a x i a l l o a d l e v e l or wa l l t hi c kn e s s wi t h ou t l a t e r a l l o a d a nd s ma l l h e i gh t t o t hi c kn e s s r a t i o，t he r e v e r s e d e f l e c t i o n o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e wa l l s i n f i r e i s a p t t o oc c ur W i t h i n t he wo r k r a ng e of pa r a m e t e r s i n c o mmon us e，t h e f i r e r e s i s t a n c e o f wa l l s d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f ax i a l 1 o a d 1 e v e l ， l a t e r a 1 l o a d l e v e l ， he i gh t t o t hi c kn e s s r a t i o， s t e e 1 r e i n f or c e me nt y i e l d s t r e n gt h or s t e e 1 r e i nf or c e m e nt r a t i oa n d i n c r e a s e s wi t h t he i n c r e a s e o f wa l l t h i c k ne s s o r c o nc r e t e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h Ke y wo r ds ：r e i n f o r c e d c o nc r e t e；wa l l s ；c o mpu t a t i o na l mo d e l ；i nf l u e n c i ng f a c t o r s；f i n i t e e l e m e nt 钢 筋混凝 土墙具有 刚度大 、 抗 震性 能好 等优 点 ， 在高层 民用建 筑 中 的应用 日益广 泛 ， 而 该类 构 件 的 火灾情 况也 时有发 生 ， 因此 深入 研 究其 耐 火 性 能 并 进行合 理的抗火 设计非 常重要 。 以往 已有 一些学 者对钢筋 混凝 土墙 的 高温 力学 性 能进 行 研 究 ， 例如 C r o z i e r 和 S a n j a y a n 、 O n g a h等 、 任 红 梅 、 肖建 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 5 0 9 基金项 目： 福建省高校服务海西建设重点项 目( 闽教高 2 0 0 9 8号) ；福建省教育厅科技项 目( J A 0 8 1 7 2 ) ；福建工 程学 院 预研 基 金 项 目( GY Z 0 9 0 7 1 ) 作者简介 ： 郑永乾( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 博士 ，主要从事建筑结构抗火研究 ， ( E ma i l ) y o n g q i a n z h e n g 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 郑永 乾 ， 等 ： 火灾 下钢 筋 混凝 土墙计 算模 型及 影响 因素分析 2 5 庄 等 。这些研 究 中含 有 珍 贵 的 实 验 资 料 ， 但 在 理 论方 面 ， 多数未 考虑 钢材 高温蠕 变 、 混凝 土 瞬态 热 应 变 等的影 响 ， 计 算 模 型 的 可靠 性 未 能 得 到 充 分 的 验 证 。 目前 有 关 钢 筋 混凝 土 墙 耐 火 极 限 的 设 计 规 范 有 ： 欧洲规 范 E u r o c o d e 2 、 英 国规 范 B S 8 1 1 0 2 、 美 国 混凝 土 学 会 标 准 AC I 2 1 6 R 一 8 9 、 澳 大 利 亚 规 范 AS 3 6 0 0 2 0 0 1 、 挪 威 规 范 NS 3 4 7 3 E 1 9 9 2 、 新 西 兰 规 范 NZ S 3 1 0 1 、中 国 防 火 规 范GB 5 0 0 4 5 9 5 和GB 5 0 0 1 6 2 0 0 6 ， 他 们 的抗 火 设 计 方 法 主 要 是 基 于 耐 火 极 限设 计表 格 或 曲线 ， 其 适 用 的参 数 范 围 和 条件 比 较有 限 j 。 拟采用 ABAQUS软件 建 立火 灾 下 钢 筋 混凝 土 墙力 学性能 分 析 的有 限 元模 型 ， 并将 计 算 结 果 与 以 往实 验结 果 进 行 对 比 ， 验 证 有 限元 模 型 的 正 确 性 。 在此基 础上 ， 分析 轴压 比、 侧 向荷 载 比、 墙 高 厚 比 、 墙 厚 度 、 混凝土 抗 压强 度 、 钢 材 屈 服 强 度 、 配 筋 率 和 混 凝 土保 护层厚 度对 钢筋 混凝 土墙 高温 性能 的影 响规 律 ， 从 而为进 一 步探 讨 科 学 合 理 的设 计 方 法 创 造 条 件 。 1 计算模型 1 1有 限元 分析模 型 采用 顺序 热力 耦 合 方 法 ， 即先 进 行 纯 热 分 析 获 得 温度场 ， 然后 引入 温度 场 的结 果 进行 结 构分 析 ， 因 此建 立 的三维 温度 分析模 型 和结构 分 析模 型必 须 一 致 。钢 筋 和 混 凝 土 热 工 参 数 均 根 据L i e 和 D e n h a m 6 提 供 的表达 式确定 ， 同时考 虑 了水 蒸 汽对 混凝 土热 工 参 数 的 影 响_ 7 J 。混 凝 土 采 用 实 体 单 元 D C C 3 D 8 D 模 拟 ， 分 布 筋 采 用 杆 单 元 D C C I D 2 D 模 拟 。钢筋 混凝 土墙 一 般 为 单 面 受 火 ， 受 火 面 同时存 在 对 流 和 辐 射 2 种 换 热 ， 对 流 换 热 系 数 取 2 5 w m K 引， 综合 辐射 系数取 0 7 _ g 。 。 。 ； 背火 面 的对 流 换热 系 数 取 4 W m K 8 ， 综 合 辐 射 系 数 取 0 9 7 J 。 火焰 温度 按照 国际标 准 I S O 一 8 3 4 l l 妇 进 行 升 温 。墙 体 各个 节点初 始 温度 为 2 0 ， 计 算 时假 设 钢 筋 与混 凝 土之 间完 全传 热 ， 采 用 约束 方 程 E q u a t i o n定 义 相应 节点 温度 相 同 ， 也 可采 用 S u r f a c e t o s u r f a c e 定 义 接 触 。 在温度 和应 力共 同作用 下 钢 筋 的总 应 变 ( e ) 组 成部 分为_ 1 ： e 一 e + e h+ e ( 1) 其 中 ， e 为 应力作 用产 生 的应变 ， 通过 高温下 钢 筋 的应力一 应 变 关 系 确 定 ， 采 用 I i e和 D e n h a mL 6 提 供 的模型 ， 该 模 型 已被 不 少 研 究 者采 用并 取 得 良好 效果 1 3 1 5 ， Ha n等 ” 给出 了不 同温 度下 钢 筋 的应 力 一 应 变关 系 曲 线 ； 为 自 由膨胀 应 变 ， 可 根 据 L i e 和 De n h a m_ 6 取 值 ； 为 钢 筋 的高 温 蠕 变 ， 可 采 用 AI J I 】 给出 的表达式 和 系数 。 在 温度 和 应 力 共 同作 用 下 混 凝 土 的 总 应 变 为 ： 一 。+ 。 h+ + ( 2 ) 其 中 为应 力作用 产生 的应 变 ， 受压 区混凝 土 采用 L i e 和 D e n h a mF 。 提 供 的模 型 ， Ha n等m 给 出 高温 下受压 区混凝 土 的应 力 一应 变 关 系 曲线 ， 受 拉 区混 凝 土采 用 Ro t s 等 提 出 的模 型 ， 表 达式 参考 C a i 等l 1 ； h 为 自由膨 胀 应 变 ， 根 据 L i e和 D e n h a m_ 6 确 定 ； 为 瞬 态 热 应 变 ，采 用An d e r b e r g 和 Th e l a n d e r s s o n提出 的模型 ， 并参 考 L i 和 P u r k i s s 】 B _ 将 混 凝土 瞬态热 应变考 虑 到总应 力 一应变 关 系 曲线 中 ； e 为混凝 土 高温 徐变 ， 该应 变 比其 他应 变 小 得 多 ， 且 在 AB AQUS中 塑 性 损 伤 模 型 难 以考 虑 高温 徐 变 1 ， 因此 暂不 考虑其 影 响 。 图 1 所示 为火 灾下 钢筋 混凝 土墙有 限元分 析模 图 1有 限元 分 析 模 型 型 ， 为清楚显 示 暗柱及 墙体部 分钢 筋 ， 去 除左上 角 的 混凝 土 。图 中混 凝 土 采 用 三 维 实体 单 元 C 3 D8 R模 拟 ， 暗柱钢筋 、 分 布 筋 、 连 接 筋采 用 三 维 线 性 杆单 元 T3 D2 模 拟 。为施 加 轴 向荷 载 N 并 防 止 应力 集 中 ， 墙 体两 端设 置 刚性 平 面 ， 采 用三 维 线 性 离 散 刚体 单 元 R3 D 4模 拟 。钢筋 混 凝 土墙 单 面 受 火 ， 背 火 面 承 受 均 布面荷 载 q ， 墙 体 两 端 铰 接 。高 温 下 钢 筋 与混 凝 土粘 结滑 移 的研 究 尚不深 入 ， 高 温 粘 结 本 构关 系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 比较缺 乏 ， 该文 暂按 钢 筋与 混凝 土 之 间 无相 对 滑移 考虑 ， 将 钢 筋 E mb e d d e d到 混凝 土 中。刚 性 平 面 与 混凝土 法 向硬 接触 、 切 向库 伦 摩 擦 。根据 构 件 实 际 受力情况 ， 首先在构 件加载 位置 施加 荷载 N 及均 布 面荷载 q ， 保 持外荷载 不变 ， 调 用温度 场分 析结 果计 算 。 1 2 模 型验证 采用 上述计算模 型 ， 对 C r o z i e r 和 S a n j a y a n 2 报 道 的钢筋混凝 土 墙体 火 灾实 验 曲线 进 行计 算 ， 计 算 结 果得到实验 结 果 的验证 ， 该 文 只 给 出部 分普 通 强 度 混凝 土墙 的挠 度 一时 间 关 系 曲线 ， 如 图 2所 示 。 图中 ， 编号 中字 母 表示有 轴 向荷载 ， L表示 有侧 向 荷 载 ， 字母后数 字分别 为墙厚度 ( mm) 一混凝 土 圆柱 体抗压 强度 ( MP a ) ， 实验试 件长 3 6 0 0 mm， 宽 l 2 0 0 mm， 分 布筋间距 2 0 0 mm， 截 面配筋 率 0 2 5 ， 荷 载 偏心距 为 1 2 墙 厚 。 t mi n ( a ) 轴向和侧 向荷载作用 ， ， n1 i n f h ) 侧向荷戴作用 图 2 挠度一时间关系曲线计算结果与实验结果对 比 在合理 确 定 高 强混 凝 土 本 构 关 系模 型 的 基 础 上 ， 还可对高 强混凝土墙 的高温变 形 曲线进 行计算 ， 计算 结果与 实验结果 吻合较好_ 2 。 2影响 因素分 析 依据 混凝土 结构 设计 规 范 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2和 高层建筑 混凝土结 构技术 规程 3 J GJ 3 - 2 0 0 2对 钢筋 混凝土墙 的设计 要求 ， 选 择 较为 合 理 常见 的 截 面尺 寸 、 荷 载 比、 配筋 率 、 材 料强 度 等计 算 参 数 。取 典 型 算 例 ： 高 H 宽 B 厚 t 一4 0 0 0 mm2 0 0 0 mm 2 0 0 mm， 高 厚 比 H t 一2 0 ， 双 排配 筋 ， 水 平 和竖 直钢筋 1 2 2 0 0 mm， 配筋 率 0 5 7 ， 连 接筋 1 0 4 0 0 mm， 暗 柱 边 长 4 0 0 mm， 配筋 6 1 8 ， 配 筋 率 1 9 1 ， 箍 筋 1 0 1 0 0 mm， 纵 向受力钢 筋的混凝 土保 护层厚 度为 2 0 mm， 钢 筋强 度 f 一 3 3 5 MP a ， 混凝 土强度 厂 一5 0 MP a ， 轴压 比 一0 3 ， 侧 向荷 载 比 一0 3 。钢筋 混凝土墙 上下 两端 铰支 ， 单 面受火 。 参数 分析 时选 取 的重 要 参数 及 其变 化 范 围为 ： 轴压 比 一0 0 5 0 6 ， 侧 向荷 载 比 m一0 0 6 ， 高 厚 比 H t 一1 0 4 0 ， 墙 厚度 t 一1 0 0 4 0 0 mm， 混 凝 土抗压 强度 f 一2 0 6 0 MP a ， 钢筋 屈 服强 度 一 2 3 5 5 O 0 MP a ， 配筋 率 |D =0 2 1 8 ， 混凝土 保 护层厚度 f 一1 5 4 0 mm。 2 1 轴压 比 图 3 所示 为轴 压 比对 高温下钢筋混 凝土墙变 形 0 I O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 t mi n ( a ) m= 0 图 3轴压比的影响 及耐火极限的影响规律， 其中正值表示朝向受火面 的变形 。可见 ， 随着轴压 比的增 大 ， 截 面单元 更快 进 入塑性状 态 ， 耐火 极限 明显 降低 。无侧 向荷 载时 ， 轴 压 比 为 0 1 、 0 3和 0 5对 应 的 耐火 极 限分 别 为 3 8 1 、 l 5 5和 5 3 mi n ； 侧 向荷 载 比 0 3时 ， 轴压 比 为 0 1 、 0 3和 0 5对应 的耐 火极 限 分 别为 1 2 1 、 5 1和 3 2 mi n 。在 无侧 向荷 载情 况下 ， 0 3时 ， 随 着 轴 压 比的增加 ， 抑制 了墙 体裂缝 的发展 ， 延迟 了开 裂状 如 0 2 l l 一 - =j O ， l 1 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 郑永 乾 ， 等 ： 火 灾下钢 筋 混凝 土墙计 算模 型及 影响 因素分析 2 7 态 的 出现 ， 构 件受压 破坏 的特 征也 更加 明显 ， 因此 侧 向挠 度 的增长 有 所 迟缓 直 至接 近 破 坏 时 迅 速 增 加 ； n o 4时 ， 热膨胀 的作 用使 得 墙 受火 面 边缘 沿 着 宽 度 出现反 向弯 曲 ， 在 热膨胀 和较 大 轴压 力 的作 用下 ， 墙反 向挠度 不 断增 长直 至 破坏 。在 侧 向荷 载 比 0 3 的情 况下 ， 轴压 比对前 期墙 体挠 度 的发 展影 响不大 ， 由于 侧 向荷 载 的作 用 ， 钢 筋 普 通 混 凝 土 墙 未 出 现反 向挠 度 。 2 2侧 向荷载 比 图 4所 示为侧 向荷 载 比的影 响 规律 ， 可 见 ， 侧 向 荷载 比的增 加使 得 更 多 截 面单 元 进 入 塑 性 状 态 ， 促 进 了墙 体裂 缝 的开 展 ， 加 快 了火 灾 下 跨 中挠 度 的发 展 ， 耐 火极 限 也 就 下 降 。例 如 ， 对 于轴 压 比 0 1的 墙 ， 侧 向荷载 比 为 0 1 、 0 2 、 0 3 、 0 4 、 0 5和 0 6 对 应 的耐火 极 限 分 别 为 2 7 8 、 1 8 0 、 1 2 0 、 8 9 、 6 9和 5 3 mi n ， 比无侧 向荷 载 的耐火 极 限 ( 3 8 1 mi n ) 分 别 下 降 了 2 7 、 5 2 8 、 6 8 2 、 7 6 6 、 8 1 9 和 8 6 1 。 从 图 中还 可看 出 ， 随着侧 向荷 载 比的进 一 步增 加 ， 耐 火 极 限的降低 幅度 逐渐 减小 。 8 0 6 O 曼 40 2 0 0 图 4侧 向荷 载 比 的影 响 2 3 墙高 厚 比 墙 高厚 比的影 响 较 为显 著 ， 同 时也 可 能 引起 墙 反 向挠 度 的出现 ， 如 图 5所 示 。随 着墙 高 厚 比 的增 加 ， 火灾 下二 阶效应 更加 明显 ， 总体 上 墙体 更 快达 到 耐 火极 限 。对 于无 侧 向荷 载 的墙 体 ， 高厚 比在 1 5 2 0 情 况下 耐火 极 限 变 化 不 大 ， 高 厚 比 2 O 2 5时 耐 火 极 限降低 幅度较 大 ， 下 降 了 1 0 7 mi n ， 高厚 比大 于 2 5 之 后耐 火极 限变化 趋 于不 明显 。侧 向荷 载 比 0 3 的墙体 ， 高厚 比小 于 2 5时耐 火 极 限 下 降 较快 ， 高 厚 比 1 5 2 0对 应 的耐火 极 限为 2 4 2 5 1 mi n， 减 少 了 1 9 1 mi n ， 可 见 耐 火 极 限 下 降 迅 猛 ， 高 厚 比大 于 2 5 时 ， 耐火 极 限变 化 亦趋 于平 缓 。在 高 厚 比不 大 的情 况 下 ( 例 如 一0时 ， H t 1 8 ； 一0 3时 ， H t 1 5 ) ， 钢 筋混凝 土 墙 在 受火 过 程 中 出现 了 反 向挠 度 ， 这 主要是 因为 受 火 面 温度 较 高 ， 发 生 了 向低 温方 向 的弯 曲 ， 高厚 较小 时 ， 外荷 载作 用下 构件 挠 度前 期增 长不 大 ， 而沿 着宽度 方 向的膨胀 作用 相对 明显 ， 弯 曲 作用 达 到一定 程 度 时 ， 在 热膨 胀 和 轴 向 荷 载 的作 用 下就 发生 了反 向挠度 。 0 5O 1 00 l 5 O 2 oo 25 0 30 0 t rai n ( a ) m= O 一 剧 =l 0 _ r H t =1 5 一 H t =1 6 - 一 H =1 8 -o H| =2 0 - H| ：2 2 r I o Hi =2 s 日 =3 0 _ ： = 4 0 O 5 0 l O O 1 5O 2 0o 25 0 3 0 0 t l mi n (b ) m= O 3 图 5 墙 高 厚 比 的影 响 2 4墙厚 度 墙厚度 是影 响钢 筋混凝 土墙 高 温变 形 和耐火 极 限 的重要影 响 参数 ， 其 影 响规 律 如 图 6所 示 。随 着 墙厚 度 的增 加 ， 截面混 凝土 的 面积就 越 大 ， 混 凝土 吸 热作 用就越 明显 ， 同 时受 火 面 温度 传 到 背火 面 也 越 慢 ， 耐 火极 限不 断 增 加 。无 侧 向荷 载 和侧 向荷 载 比 0 3时 ， 墙厚度 1 0 0 3 5 0 mm 对 应 的耐 火极 限分 别 为 3 6 3 5 9 mi n和 2 5 2 0 4 mi n 。无 侧 向荷 载 情 况 下 ， 当墙 厚 度 t 2 5 0 mm， 随着 墙厚度 的增 加 ， 火 灾 下 墙承 载力 损 失 较 小 ， 跨 中挠 度 发 展 较 慢 ； 当 t 2 5 0 mm， 前 期墙 的热 膨 胀 作 用 不 够 明显 ， 外 荷 载作 用 下跨 中挠 度正 向发展 ， 但变 化 比较平 缓 ， 随着 温度 的进一 步升 高 ， 沿着 宽度 方 向的膨 胀作 用相 对 明显 ， 使 得在 轴 向荷 载 作 用 下 发 生 了反 向挠 度 ， 而 对 于 m= = = 0 3的钢筋混凝 土墙 ， 侧 向荷 载使得 墙体 弯 曲作 用 增强 ， 抑制 了反 向挠度 的发 生 。 m 加 如 = l 1 j 舭 三 三三 啪 o 铷 暑 皇 、 = o 暑暑 、 鲫 ， 一 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 0 1 o0 2 00 3 00 40 0 f m I J f a 1 n =0 1 图 6墙厚度的影响 2 5 混凝 土抗压强 度 图 7 所 示为混凝 土抗压强 度 的影响规 律 ， 可见 ， 随着混凝土抗 压强度 的增 加 ， 构件 承 载力提 高 ， 在 火 灾 下跨 中挠 度 的发展 也 较 慢 ， 耐火 极 限增 加 。对 于 无侧 向荷 载 的墙 ， 抗 压 强 度 2 0 、 3 O 、 4 0 MP a对 应 的 耐 火极限分别 为 8 8 、 1 3 0 、 1 5 0 mi n ， 抗 压强 度大 于 4 0 MP a 后对 耐 火 极 限 的影 响 较 小 ； 对 于 侧 向荷 载 比 O 3 的墙 ， 随着抗 压 强度 的增长 ， 耐火 极 限 的增 长趋 势有所 提高 ， 抗 压 强度 2 0 、 3 0 、 4 O 、 5 0和 6 0 MP a 对 应 的耐火 极 限分别 为 3 9 、 4 l 、 4 5 、 5 1和 5 9 mi n 。 图 7混 凝 土抗 压 强 度 的 影 响 2 6 钢筋 屈服强度 在其他参 数不 变 的情 况 下 ， 随着 钢 筋 屈 服强 度 的增加 ， 钢筋混 凝土墙 极限承载 力提 高 ， 而钢 筋 的混 凝土保 护层厚度 不大 ， 在火灾作 用下 ， 受 火面 钢筋 升 温较快 ， 因此火 灾 下墙 体 承载 力 的提 高 较 常温 下 的 慢 ， 跨 中挠度 的发 展加 快 ， 耐 火极 限有 减小 的趋 势 ， 如 图 8所示 。对 于 一0和 m=0 3的墙 ， 钢 筋屈 服 强度 2 3 5 5 O 0 MP a对应 的耐 火极 限分 别 为 1 5 6 1 4 0 mi n和 6 1 4 4 mi n ， 降 低 幅 度 分 别 为 f y 一2 3 5 MP a 墙 体耐火极 限 的 l 0 3 和 2 7 9 。 0 图 8 l 0 2 O 3 0 40 50 6 0 7 0 t mi n n) 、m=0 3 钢 筋 屈 服 强 度 的影 响 2 7 配筋 率 在火灾 作用下 ， 受火面钢 筋温度 较 高 ， 材料 性能 劣化 比较严 重 ， 随着 配筋率 的增大 ， 钢筋 混凝土 墙在 火灾 下 的承 载力 提高 较 常温 下 提 高 的慢 ， 跨 中挠 度 的发 展加快 ， 耐火极 限总体上 有减小 的趋 势 ， 对 于无 侧 向荷 载 且 配 筋率 小 于 1 、 侧 向荷 载 比 0 3且 配 筋率超 过 1 的墙 ， 其耐 火极 限变化 很 小 ， 如 图 9所 刁 。 2 8混凝土保 护层厚 度 图 1 0所示为混 凝土保 护层厚 度 的影响情 况 ， 可 见 ， 一0和 m一0 3情况 下 混凝 土保 护层 厚度 的影 响差别较大 。对 于无 侧 向荷 载 的墙 ， 随着 混 凝 土保 护 层厚度 的增加 ， 尽 管受火 面钢筋 升温有 所延 缓 ， 但 钢 筋形心越 靠近 中心 ， 墙极 限承载力 下 降 ， 火灾 下挠 度 发展加快 ， 耐 火极 限 不 断减 少 。混凝 土 保 护层 厚 度从 1 5增加 到 4 0 mm， 耐 火极 限减 少 了 6 8 mi n， 减 低 幅度 达到 4 O ， 而且 耐火 极 限下 降基本 呈 线性 关 系。混凝土保护层厚 度 1 5 mm 的墙体 由于前期正 向挠度增 长较慢 ， 随着 温度 的进一 步 升高 ， 热 膨胀 作 用使得挠 度在 1 4 0 mi n时 向反 向发展 ， 并最 终在 1 6 9 O 暑 皇、 加 蚰 0 旨 兰 3 鲫 O 三 量 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 郑永 乾 ， 等 ： 火灾下钢 筋混 凝土墙 计 算模 型及 影 响 因素 分析 2 9 mi n时达 到耐 火 极 限 。对 于 侧 向荷 载 比 0 3的墙 ， 火 灾下侧 向荷 载 增加 了弯 曲作用 ， 使 得 钢 筋形 心位 置 变化 的作用 变得 不 明显 ， 钢 筋 在 侧 向荷 载下 更 充 分地 发挥 了作 用 ， 因 此 混凝 土 保 护 层 厚度 对 火 灾 下 钢筋 混凝 土墙 的跨 中挠度 和耐火 极 限影响不 大 。 图 9配筋 率 的影 响 图 l 0 混 凝 土 保 护 层 厚 度 的 影 响 3 结 论 1 ) 采用 有 限元 软件 AB AQUS建 立 了 火灾 下 钢 筋混凝 土墙 力学 性 能 分 析模 型 ， 模 型 中考 虑 了水 蒸 汽 、 钢 筋高 温蠕 变 、 混凝 土瞬 态 热 应 变 的 影 响 ， 计 算 结果 与 以往 实验结 果 吻合较好 。 2 ) 当钢 筋混 凝土墙 在火 灾下 正 向挠度 增 长不 大 时 ， 随着温度的进一步升高 ， 热膨胀作用可能使墙发 生反 向弯 曲 ， 该 文 典 型算 例 中的 钢 筋 混凝 土 墙 在 以 下情 况下 容易发 生这 种现象 ： 高厚 比较 小 ( m一0时 ， H t 1 8 ； m一0 3时 ， H t 1 5 ) ； 无 侧 向荷 载 时 ， 轴压 比较大 ( 0 4 ) 、 墙厚 度较 大 ( t 2 5 0 ram) 、 混 凝 土保 护层 厚度较 小 ( C 一 1 5 ram) 。 3 ) 在工 程常用 参数 范 围 内， 随着 轴压 比、 侧 向荷 载 比 、 墙 高厚 比、 钢 筋屈 服 强 度 或 配 筋 率 的增 加 ， 钢 筋混凝 土墙 耐火 极 限 有不 同程 度 的 减小 ， 而 随着 墙 厚 度或混 凝 土 强度 的增 加 ， 耐 火 极 限 也有 不 同程度 的增加 ， 其 中轴 压 比、 侧 向荷 载 比、 墙 高 厚 比、 墙 厚度 的影 响十分显著 。无侧 向荷 载 时 ， 墙 耐火 极 限随着混 凝 土保 护层厚度 的增加 呈线性减 小趋势 ， 侧 向荷 载 比 0 3时 ， 混凝土保护层厚度 对耐火极 限影 响较小 。 参 考文献 ： 1 郑永乾钢筋 混凝土 剪力墙 耐火性 能及抗 火设计 E J 建 材 世 界 ，2 0 0 9 ，3 0 ( 3 )：3 7 4 1 Z HENG YONG - QI ANDi s c u s s i o n o n f i r e p e r f o r ma n c e a n d f i r e r e s i s t a n c e de s i g n o f r e i nf o r c e d c o nc r e t e s h ea r w a l l s E J T h e w0 r l d o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ，2 0 0 9 ，3 0 ( 3)：37 41 2c R 0z I E R D A，S AN J AY AN J G T e s t s o f l o a d b e a r i n g s l e n d e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w a l l s i n f i r e J ACI S t r u c t u r a 1 J o u r n a l ，2 0 0 0，9 7 ( 2 )：2 4 3 2 5 1 30NGAH R，M E NDI S P A，S ANJ AYAN J G F i r e pe r f or m a nc e of h i gh s t r e n gt h r e i nf o r c e d c on c r e t e w a l l s c L O0 Y C， c H0wD HUR Y s H， F RA G OME NI SPr oc e e di ngs of 1 7 t h Aus t r a l a s i a n Con f e r e n c e on t he M e c ha n i c s o f St r u c t ur e s a nd M a t e r i a l s (ACM SM 1 7)， J u n e l 2 1 4，2 0 0 2，Qu e e n s l a n d，Au s t r a l i a ：1 9 9 2 0 4 4 任红梅高性 能混 凝土剪 力墙火 灾反应 理论 分析与抗 火设计 D 上海 ：同济大学土木工程学 院，2 0 0 6 5 肖建庄 ， 李杰 ，吴树勋 ， 等矿 渣高性能 混凝土剪力墙 火灾反应试验研究 E J 同济大 学学报 ，2 0 0 3 ，3 1 ( 7 ) ： 7 83 7 8 7 XI AO 儿AN ZHUANG， L I J I E，W U S H U XUN ，e t a1 Exp e r i me nt al s t u dy on f i r e - r e s p ons e o f hi g h pe r f or ma nc e - c o nc r e t e wi t h bl a s t f ur n ac e r s l a g s he a r wa l l s J J o u r n a l o f T o n g j i Un i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ，3 1 ( 7 ) ： 78 3 7 8 7 6 L I E T T， D E NHAM E M A F a c t o r s a f f e c t i n g t h e f i r e r e s i s t a nc e o f s q ua r e h ol l o w s t e e l c o l u mns f i l l e d wi t h b a r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e r R Ot t a wa ： Na t i o n a l Re s e a r c h Co un c i l Can a da，1 9 9 3 7HAR MAT HY T z F i r e s a f e t y d e s i g n a n d c o n c r e t e M uK：L o n g ma n Gr o u p uK L i mi t e d ，1 9 9 3 8EuR0c0DE 2 De s i g n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s - Pa r t l 一 2 ：Ge n e r a l R u l e s -S t r u c t u r a l F i r e D e s i g n S E N 1 9 9 2 1 2：2 0 0 4，