火灾后钢框架内填钢板剪力墙抗震性能分析

胡雪峰　韦芳芳　高　群

(1. 河海大学 土木与交通学院， 南京　210098; 2. 江苏省建筑科学研究院有限公司， 南京　210008)



火灾后钢框架内填钢板剪力墙抗震性能分析

胡雪峰1韦芳芳1高群2

(1. 河海大学 土木与交通学院， 南京210098; 2. 江苏省建筑科学研究院有限公司， 南京210008)

摘要：为明确钢板剪力墙火灾作用后的抗震性能，利用经试验验证的ANSYS有限元模型分析火灾后钢板墙在低周反复荷载作用下的滞回性能．进一步分析受火方式和受火时间对火灾后钢板剪力墙抗震性能的影响．研究结果表明：火灾后钢板墙的滞回曲线形状与常温下相似呈梭形，都较为饱满，但是滞回环面积明显减少，屈服荷载和极限承载力大幅下降，其抗震性能明显降低；通过本文的研究可为火灾后钢板剪力墙的损伤评估和抗震加固提供参考．

关键词：火灾后；钢板剪力墙；滞回曲线；抗震性能

钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种抗侧力结构体系．钢板墙由内嵌钢板、水平边缘构件和竖向边缘构件组成，尤其适用于高烈度地震区建筑[1]．当钢板自上而下连续布置时，即形成钢板剪力墙体系．钢板剪力墙整体的受力性能类似于底端固定的悬臂梁，其中竖向边缘构件相当于翼缘，内嵌钢板相当于梁腹板，水平边缘构件则可以近似等效为横向加劲肋．已有的研究成果以及工程实例表明，钢板剪力墙具有大变形能力、稳定的滞回特性和良好的塑性性能等良好的表现．

目前，国内外学者对各类钢结构在火灾下的整体受力性能进行了试验研究及理论分析．英国的Cardington[2]做了8层钢框架结构足尺模型火灾试验，发现整体结构相对单个构件而言具有更高的极限温度．沈会[3]对火灾后钢框架抗震性能进行了有限元分析，基于有限元软件ANSYS模拟分析火灾后钢框架在低周反复荷载下的滞回性能．

从以往的研究结果可以看出，钢板墙火灾后的抗震性能仍是研究的盲点，例如受火方式、受火时间等参数对这类结构受力性能及结构受力破坏特征等的影响．本文将通过有限元软件ANSYS模拟分析火灾后的钢板剪力墙在低周反复荷载作用下的抗震性能，期望得到钢板剪力墙火灾后抗震性能的一般规律，并为这类结构的抗火设计以及火灾后的损伤评估和抗震加固提供参考．

1有限元分析验证

根据文献[4]中的试验情况建立有限元模型进行验证．钢板墙尺寸为90 mm×900 mm×5 mm，属于厚板范畴(高厚比180<250)．框架柱的几何尺寸为175 mm×200 mm×11 mm×7 mm、框架梁取100 mm×200 mm×8 mm×5.5 mm。内填钢板、框架梁、框架柱都采用实体单元Solid45，梁柱墙板焊接连成一个整体，边界条件为：下端固结，上端滑动，左右两边为自由端[5]．常温下，钢板墙弹性模量取E=2.06×105MPa，屈服强度取fy=235 MPa，泊松比μ=0.3．为了消除应力集中影响，将施加在柱顶的轴压力200 kN等效为均布荷载10 MPa(轴压比0.4)，同时在柱顶和梁端要施加荷载的地方添加垫块．

有限元软件模拟得到的滞回曲线如图1所示，由图可知，结构在屈服前，荷载和位移之间几乎呈直线变化，结构的刚度值基本不变，表明结构处于弹性阶段，随着荷载逐渐增加，结构进入弹塑性阶段，滞回环面积增大．滞回曲线形状比较饱满，说明结构能较好地吸收地震能量．

图1　有限元模拟滞回曲线

从表1可以看出，有限元模拟得到的极限承载力与试验值相差在20%以内，极限的位移相差都在20%以内．说明模拟对试验的验证具有一定的说服力．但是极限荷载的模拟值要比试验值大，原因主要有：1)有限元模型是理想化的模型．2)模拟时钢材材料的本构关系输入都按照已有的理论值进行输入，相比实际的钢材材料还有一定的差别．所以在数值分析时，试件的刚度退化没有试验试件严重．

表1　有限元模拟和试验结果比较

2有限元模拟分析

热分析时采用Solid70单元，Solid70是具有3个方向的热传导能力的3-D实体热单元，可以用于三维静态或瞬态的热分析．此单元进行后期的结构分析时，必须用等效的结构单元来代替．本文中即先采用Solid70单元进行热分析，将其分析结果施加到结构分析中，用Solid45单元计算．

采用ISO-834标准升温曲线模拟升温环境温度，初始温度为20℃，为了防止升温时间过长导致温度过高使得钢结构承载力失效，取升温时间10 min，然后进行自然冷却到常温．结构的温度分布云图如图2所示，可以发现边柱有着很明显热膨胀引起的侧向变形．

图2　受火时间10 min温度分布云图

左边柱的侧向位移随时间的位移变化曲线如图3所示，在升降温过程中，左边柱侧向位移随着火灾全过程不同阶段变化不同，升温时，钢材的弹性模量降低，导致结构的刚度下降而使结构产生内力重分布和侧向变形量增大；降温段由于钢材弹性模量的恢复，边柱侧向变形量减少并最终保持平缓趋势．

图3　边柱柱顶、柱中侧向位移曲线

图4　控制位移加载制度

在结构左端施加低周反复荷载，采用如图4所示的加载制度．材料的高温性能包括材料在高温下和高温(冷却)后的性能．对经历600℃以下高温后的结构钢的屈服强度[5]：

基于经历800℃以下高温后的结构钢屈服强度[6]：

3火灾后钢板剪力墙抗震性能分析

3.1火灾前后滞回曲线分析

钢板剪力墙火灾前后的滞回曲线如图5所示．可以很明显地看出火灾前后钢板剪力墙的滞回曲线都较为饱满，无明显捏缩现象，表现出较好的耗能能力，但可看出火灾后钢板剪力墙的极限承载力以及弹性刚度明显下降，滞回环包含的面积明显减少．这表明火灾后钢板剪力墙耗能能力在降低，进一步得出火灾作用大大削弱了钢板墙的抗震性能．

图5　火灾前后滞回曲线对比

3.2火灾前后骨架曲线

火灾前后的骨架曲线如图6所示．可以看出火灾后的结构更快的进入屈服阶段，同时屈服荷载以及弹性刚度都有所降低，达到极限荷载后承载力迅速降低下去，没有火灾前较长的延性滑移段．根据骨架曲线按照能量等效面积法近似确定荷载-位移曲线上的屈服荷载Py和对应的屈服位移Δy．

图6　火灾前后骨架曲线对比

延性比μD，定义为骨架曲线下降段85%峰值抗侧力相应侧移量与屈服变形的比值[5]．

Kym反映了结构从屈服荷载Py到最大荷载Pm历程的快慢，Kym越小，说明结构从屈服到最大荷载有约束的屈服段越长，延性越好，对抗震越有利[8]．

火灾前后对比见表2．经计算发现μD火灾前>μD火灾后，Kym火灾前

表2　火灾前后抗震性能参数对比

3.3不同受火方式下抗震性能分析

在单面和双面两种受火方式下，火灾对结构造成的伤害是不同的．在受火时间同为10 min的情况下，墙体单面受火，墙板最高温度为593℃;墙体双面受火，墙板最高温度为614℃．不同受火方式下火灾后的残余应力云图如图7～8所示，双面受火柱子及墙体中间的残余应力比单面受火要大．双面受火导致整个结构有着更高的温度，边柱的温度更高导致产生的热膨胀变形要大于单面受火条件的变形，进而影响火灾后钢板剪力墙的残余应力．

图7　单面受火火灾后的　　　图8　双面受火火灾后的应力分布云图　　　　　　　　应力分布云图

不同受火方式下滞回曲线对比如图9所示，可以看出，单双面受火条件下滞回曲线形状基本一致，双面受火条件下的极限承载力有所减低，对应的滞回环面积有所减少，抗震性能因而有所降低．

图9　单面受火和双面受火下的滞回曲线对比

3.4不同受火时间下抗震性能分析

从图10可以看出，在经历不同受火时间后的骨架曲线变化规律基本相似，随着受火时间的延长，温度逐渐上升，材料的强度损失也是越来越大，钢板剪力墙的水平极限承载力下降越来越多．不同受火时间下参数对比见表3，可以得出随着受火时间越长，屈服荷载和屈服位移越小，极限承载力分别下降了11.1%、20.6%、25.3%，可见受火时间的延长降低了钢板剪力墙抗震性能．

图10　不同受火时间下骨架曲线对比

受火时间minPy/kNΔy/mmPm/kNΔm/mm05903.7675.6266.855452.7600.2154104852.48536.4184154552.1504.993.7

4结论

1)虽然火灾后钢板剪力墙的滞回曲线比较饱满，无明显的捏缩现象．但是由于火灾对钢材造成较大的强度损伤，以及火灾后残余应力的存在，屈服荷载、极限承载力、破坏位移都有大幅度下降，延性也有所降低，火灾作用严重降低了钢板剪力墙的抗震性能．

2)双面受火条件比单面受火条件有着更加复杂的温度场分布，冷却后有着更大的残余变形和残余应力，双面受火下的极限承载力比单面受火更低，火灾后的结构抗震性能更差．

3)受火时间越长，冷却后造成的强度损伤也是越大，屈服荷载和极限荷载下降的越多，火灾后的结构抗震性能也越差．因此在实际火灾中应尽快灭火以减少受火时间，保证火灾后结构的剩余承载力，减少火灾后维修加固成本．

参考文献：

[1]郭彦林，董全利．钢板剪力墙的发展与研究现状[J]．钢结构，2005，20(1)：1-6．

[2]Wang Y C． Steel and Composite Structures： Behavior and Design for Fire Safety[M]． London： Spon Press， 2002．

[3]瞿丽华，韦芳芳．水平荷载作用下钢框架内嵌薄钢板剪力墙结构抗火性能分析[C]．江苏省钢结构会议论文集，2012．

[4]陈国栋，郭彦林，范珍，等．钢板剪力墙低周反复荷载试验研究[J]．建筑结构学报，2004，25(2)：19-29．

[5]赵金城．高温下钢材力学性能的试验研究[J]．建筑结构，2000，30(4)：26-28．

[6]曹文衔．损伤积累条件下钢框架结构火灾反应的分析研究[D]．上海：同济大学，1998．

[责任编辑周文凯]

Seismic Behavior Analysis of Steel Plate Shear Wall within Steel Frame after Fire

Hu Xuefeng1Wei Fangfang1Gao Qun2

(1.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098，China; 2. Jiangsu Research Institute of Building Science Co., Ltd., Nanjing 210008，China))

AbstractSteel plate shear wall is a new anti-lateral force structure. In order to study the seismic behavior of steel plate shear wall after fire， the finite element model based on ANSYS that is proved through experiment is used to study the hysteretic behavior of steel plate shear wall under low cyclic loading after fire. And then it is further analyzed of two-faces under fire and different durations under fire affecting on the seismic behavior of the steel plate shear wall. The results show that the hysteretic curves of the steel plate shear wall are in plump shapes， which is similar at normal temperature， but the area of hysteretic curves decrease a lot; the yield load and ultimate load carrying capacity are remarkably reduced， which indicate that seismic behavior of the steel plate shear wall has been reduced severely with the effect of fire. The study results can provide some references of damage assessment and seismic behavior for the steel plate shear wall after fire.

Keywordsafter fire;steel plate shear wall;hysteretic curve;seismic behavior

基金项目：教育部博士点基金(20100094110002)；国家自然科学基金资助项目(51009054)

收稿日期：2015-09-04

中图分类号：TU398

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0030-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.006

通信作者：胡雪峰(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为结构工程．E-mail：nanganlong@qq.com