超高层建筑剪力墙结构防火性能的优化

薛涛　徐凯

摘 要 本文主要对超高层建筑剪力墙的结构设计提出改进。现有的超高层建筑材料出于对材料成本的考虑，一般都采用防火性能较为优越的普通材料。而这种材料却存在着一些缺陷，例如承受荷载能力稍弱，不够美观等。文章中将采用一种全新的装配式全包钢组合构件的框架——核心筒结构体系，在提升防火性能的前提下对材料进行优化，提升剪力墙的强度、刚度和稳定性，减少建筑的造价及施工难度，降低工程及后期维护的成本，为新型构件的工程应用提供理论依据。

关键词 超高层建筑 外包钢箱混凝土 防火砂浆

中图分类号：TU972+.9;TU398+.2 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）12-0023-02

1 前言

随着我国经济的快速发展和城市化进程的持续推进，低层建筑和中层建筑已经无法满足人们的住房需求。超高层建筑的所占比例逐渐升高，建筑领域的结构体系也随之发生改变。为了减轻上部结构对下部结构的荷载，在建筑选材时要求选用新型轻质高强材料。为了满足超高层建筑抗震性能和防火体系的要求，本文将采用一种含装配式全包钢组合构件的框架——核心筒结构体系，也可称为外包钢箱混凝土结构体系，其核心部分采用外包钢箱混凝土剪力墙结构。

2 外包钢箱混凝土剪力墙结构

外包钢箱混凝土剪力墙由内部现浇混凝土与其外侧包裹的钢箱組成，内置的混凝土与外侧钢箱之间通过焊接加劲肋板连接。混凝土可以支撑外侧钢板，降低钢板的局部屈曲应力。钢箱可以使结构承受更高载荷，加强结构的承载力，改善混凝土的力学性能，增强其延展性和抗剪切承载力，限制它的横向膨胀。此外，钢箱由于体积较大，还能使混凝土最大程度与外界环境隔离，阻止了外界环境与混凝土的接触，减少了混凝土出现开裂和受损的风险，提高了其耐久性，符合可持续发展理念。使用外包钢箱覆盖混凝土还可以增加其观赏性。相较于以往的超高层剪力墙结构，使用外包钢箱混凝土会稍稍增加成本，不过换来的却是性能的大幅度提高。可以用于较为重要的超高层建筑中，减小出现墙体损坏、火灾等风险。

3 外包钢箱混凝土的性能

对比传统超高层建筑剪力墙使用的高强度钢筋混凝土性能，高强度钢筋为HRB400。对高强度钢筋混凝土剪力墙结构和钢箱混凝土进行有限元模型分析，当墙体高度为3.9米时，钢箱混凝土含钢量为5.6%，轴压比为0.6[1]。钢箱混凝土由于其特殊的结构构造，剪力墙的水平承载力和轴向承载力要远高于传统同一水平的刚强度混凝土剪力墙。由于钢的延展性极其优越，含钢量高的钢箱混凝土剪力墙的延展性也强于高强度混凝土剪力墙，在出现地震，爆炸等特殊情况时其抗震性能优，可以减少很多风险。

4 超高层建筑的消防问题

与普通建筑相比，超高层建筑结构复杂，楼层也相对较多，这就在无形中增加了灾害的发生率。并且在灾害发生时，哪怕拥有较为完善的消防体系，由于电梯的无法使用和逃生路线的难以抉择，处在高层的人员也很难撤离。就传统超高层建筑的消防系统设计而言，超高层建筑的内部底板与外层幕墙等结构之间留有较大的闲置空间，而该空间周围没有设置任何的消防材料。一旦建筑内部产生火灾，没有任何保护措施的外层结构将无法实现防火。墙体的内部产生火源不仅危害极大，在消防人员赶到时也难以消灭火源。超高层建筑一般处于城市中心人群密集区域，且为城市重要建筑或代表建筑，一旦失火导致主体蔓延，将造成重大的人员伤亡和财产损失，燃烧产生的气体还会污染环境，造成恶劣的社会影响。

4.1 外包钢箱混凝土的防火隐患

使用外包钢箱混凝土剪力墙的超高层建筑，因其含钢量高，常采用钢结构或组合结构。钢箱混凝土作为装配式全包钢组合构件的框架——核心筒结构体系的核心部分，用其为原材料做出的剪力墙承载力高且延展性强。但与此同时若在发生火灾的情况下温度急剧提高，高温的环境中钢材的弹性模量与屈服强度会随着温度的升高显著下降。外包钢箱混凝土的构件和钢构件在火灾的高温下会短时间内达到屈曲极限，并且迅速地失效导致建筑倒塌。因此外包钢箱混凝土剪力墙的耐火性能需要提高，并采取更有效的防火措施。

4.2 防火方案的选取

依据《建筑设计防火规范：GB 50016-2014》，本工程属于一类公共建筑[2]。常见的钢箱混凝土组合构件或钢构件的防火做法有防火涂料、外包防火层、耐火钢、疏导法四种。

防火涂料分为薄涂型和厚涂型两种。薄涂型防火涂料在出现火灾情况时，会在高温下产生膨胀作用且膨胀速度极快，形成一种致密的泡沫炭质层。这种泡沫炭质层的隔热抗热效果极好，能有效隔绝火源热源。并且与厚涂型防火涂料相比，由于厚涂型防火涂料需要涂多层，施工过程中容易产生偏差造成不同地方的厚度不一致，或是涂抹过程中产生气孔等情况。厚度不一致会影响剪力墙的美观，气孔难以避免且在发生火灾时有出现爆炸的危害。而薄涂型防火涂料外形美观，装饰效果极佳，存在的风险也相对较低，因此在工程中可以大量使用。

外包防火层是使用防火砂浆层或外包混凝土等拥有较大内部空间且不易燃烧的材料来保护内部构件。这些外包材料可以在火灾发生时让内部构件远离火源与热源，使内部构件达不到着火点，提高材料的耐火极限。

耐火钢材是一种成本较高的防火材料，由于技术限制使用耐火钢材是当下新型的防火方式。耐火钢材通过在钢材中加入Mo、Cr、Nb等稀有元素，提高了钢材的强度和耐火极限，用这种方式制备成的新型耐火钢材相较于传统的钢材拥有更高的抗弯、抗折能力，且防火性能有极大的提高。这种耐高温的钢材可以在600摄氏度的高温环境下仍保持常温时屈服强度的2/3。采用新型耐火钢材可以减少防火涂层的厚度和用量，甚至在某些情况下可以不使用防火涂层，提高了结构的美观性和潜在风险，且大大减少了消防工程的成本。

疏导法是一种有人为参与的物理方法，在钢材升温的过程中，通过一定的技术手段将热量传递走，从而使构件的温度达不到着火点，保证在安全的温度范围内。这是成功率最高的一种防火方案，在实验过程中几乎没有出现过失火的情况，但这种方法技术难度较高，成本相较于其他几种方法也高出数倍，因此在工程中应用较少。

当前最常见的防火方法是在构件表面喷涂防火涂料或架设防火板，这项技术已经相对成熟，在工程中拥有广泛的应用。喷涂防火涂料和架设防火拥有两个共同的优点，即安全性强和美观性好。但是喷涂防火涂料或架设防火板相较于使用防火砂浆层和外包混凝土成本较高，并且工人需要熟练的工艺技术，因此施工速度会比较慢。并且考虑到超高层建筑还需要顾及装修、物业等问题，因此本文将在外包钢箱混凝土表面喷涂强度为M7.5，厚度70mm的普通砂浆。为了施工过程的简便和降低成本，将采用挂网批荡的方式进行施工。为了防止在火灾的高温情况下砂浆保护层在遇热时间过长后产生明显的开裂，可以采用在砂浆内部架设两层钢筋网的方法阻止开裂，并且内部设置两层钢筋网还可以提高砂浆的强度，在承重方面可以承受更多的

荷载。

砂浆防火层作为近年来国内热门防火方式，这项技术已得到极为广泛的应用与实践。在涂抹砂浆防火层之前首先需要对被保护表面进行除锈处理，以保证砂浆防火层和内置混凝土紧密接触。并且还可以减少锈蚀物与混凝土中的部分物质产生反应而使强度降低的风险。除锈后焊接固定锚栓，采用挂网批荡的方式分别披挂底层和面层的钢筋网，接着通过绑扎的方式进行固定，最后分层喷涂砂浆。

普通砂浆的热工参数为：导热系数为1.0，质量热容为840，密度为1780kg/cm3。

5 火灾下外包钢箱混凝土剪力墙的表现

当发生火灾时，外界热源主要通过热辐射和热对流来向构件表面传递热量，而构件内部主要通过发生热传导来吸收构件表面的热量。假设在火灾的高温情况下，构件被包裹在高温的环境中，此时砂浆保护层包裹保护着钢箱，钢箱包裹保护内部的混凝土。如果这三个部分之间的传热条件皆正常，参考ECCS数值，热辐射系数为0.5。在受火时间的积累过程中，首先钢箱混凝土外部温度缓慢提高，外部砂浆保护层有效隔绝了火源热源，极大地拉长了被包裹在内部的混凝土接触到热量的时间。当受火两小时后，包裹内部混凝土剪力墙的钢箱或钢板开始升温，由于钢材的导热性能良好，钢材升高的温度主要集中在边缘的四个角和中心的隔板。当受火200分钟后，钢材将温度传递到包裹的混凝土上，混凝土的传热性能较差，贴近外包钢箱或钢板的混凝土温度较高，但当远离外部钢板一定距离后，温度明显下降并且稳定在了安全范围内。因此，火灾下外包钢箱混凝土剪力墙的表现要远超传统混凝土剪力墙。

6 结语

本文研究的创新点立足于在造价不变或者略有提高的情况下，研究生产出一种新型的防火性能更强的防火材料，在现有防火材料和剪力墙结构的基础上进行创新性质的改良，在混凝土外包裹钢箱或者钢板，在钢箱或钢板外喷涂防火砂浆层涂料。在材料和结构两方面皆有创新，提高建筑的性价比。此外，尽可能提高结构的强度，以让其在质量变轻的情况下承受更高的荷载。项目会根据超高层建筑的特点设计出一种更安全更经济的剪力墙模型，尽量让建筑造价成本不高于相同层数面积的普通建筑造价情况下，对剪力墙结构和建筑材料进行优化，通过提高超高层建筑的稳定性以及防火性能来提升建筑结构整体的安全性，让超高层建筑稳定性更高，盡可能降低火灾事故的发生率，减少社会损失，保障人员和财产的安全。

参考文献

[1] 苏恒强，何军，刘金松，李雨盈.钢箱混凝土剪力墙在超高层结构中的研究与应用[J].工程科技Ⅱ辑，2020（10）：132-133.

[2] 吴泉霖，何军，刘金松.钢箱混凝土剪力墙砂浆防火层隔热性能分析[J].工程科技Ⅱ辑，2020（07）：77-78.