钢筋混凝土剪力墙单面受火内力分析
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摘要：介绍了钢筋混凝土结构在火灾作用下力学性能及研究现状，利用大型通用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土剪力墙构件在火灾下作用的内力进行分析。
关键词：火灾；钢筋混凝土；剪力墙
Abstract: the article introduces the reinforced concrete structure in the fire under the role of mechanical properties and the present research status, the use of large general finite element software ABAQUS of reinforced concrete shear wall component in the fire of the internal force redistribution of the role for analysis.
Keywords: fire; Reinforced concrete; Shear wall
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1引言
随着我国经济的逐步发展，建筑结构内部的使用功能日趋复杂，加之一些装修装修材料的不规范等原因，建筑火灾时有发生。钢筋混凝土结构具有良好的耐久性、耐火性等原因，在我国的实际工程中仍然占有很大的比重。因此对钢筋混凝土结构火灾作用下的力学性能进行研究是非常必要的。
由于混凝土一种热惰性材料，在火灾发生时，混凝土保护层能够有效的保护内部钢筋，减缓其升温速度，使整个结构具有良好的耐火性。但火灾持续高温作用下，混凝土和钢筋的力学性能将不断恶化，甚至使整个结构出现局部失效、变形过大而出现内力重分布的复杂内力情况。
笔者利用大型通用有限元软件ABAQUS对混凝土剪力墙在火灾高温作用下温度场的分布进行分析计算，进而求的预加荷载下的内力情况，为钢筋混凝土结构火灾作用下的力学性能的进一步研究提供参考。
2 钢筋混凝土结构下火灾作用下的研究现状
火灾发展一般经历三个阶段：初燃阶段、充分发展阶段和衰减熄灭阶段。其中充分发展阶段是对建筑物的损伤阶段是对建筑物的主要损伤阶段，在本阶段，室内温度可超过1000度，这是火灾中最危险的阶段。
为了方便研究建筑结构在火灾下的物理力学性能，许多研究机构都进行了大量的试验研究和理论分析，制定了标准的温度-时间曲线来代表实际火灾时的升温曲线。如：国际标准化组织建议的ISO834标准升温曲线、北美国家采用的ASTME119标准升温曲线。
目前，火灾的研究手段主要是试验研究和数值模拟，随着有限元软件的不断发展，建筑结构火灾模拟提供了更多的手段。
3ABAQUS分析火灾下钢筋混凝土剪力墙构件的温度场
3.1 本构关系及升温曲线
ABAQUS可以求解规模大、复杂和多组件模型的热传导问题，作为一种大型的通用有限元软件，其可靠性得到了各个邻域的一致认同。
利用ABAQUS有限元软件模拟一个高3m、宽4m、厚0.3m的钢筋混凝土剪力墙单面受火。剪力墙的上下部位分别设置一个0.1m高的刚性梁，用于施加荷载和约束条件，其立面及预加荷载见图1，剖面及配筋见图2。
图1 剪力墙立面尺寸图2 剪力墙1-1剖面
1.混凝土强度等级为C30，弹性模量E=3.0e4MPa，泊松比为0.2，轴心抗压强度fc=14.3MPa，抗拉强度ft=1.43MPa。
混凝土采用损伤塑性模型，该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质。混凝土本构关系曲线如图3、图4。
图3混凝土受拉应力-应变曲线及损伤示意图图4混凝土受压应力-应变曲线及损伤示意图
2.钢筋采用HRB400级，弹性模量E=2.0e5 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为fy=360MPa
钢筋采用理想弹塑性模型，考虑不同温度下钢筋的弹性模量衰减。
表1
3.火灾作用采用国际标准升温曲线，其表达式为：
T=20+345lg(8t+1) …………………………………………………….（1）
3.2 ABAQUS有限元分析模型
建立有限元模型，在钢筋混凝土墙的两端设置刚性垫块，用于施加荷载和约束。根据3.1节所述本构关系，定义钢筋和混凝土材料的本构关系。在顶部刚性垫块上表面施加2.0e+003KN的均布荷载，底部垫块下表面施加固定支座。利用ABQAUS中的Embed方法将钢筋网插入到混凝土剪力墙中，不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移。分析过程为：
1.利用公式（1）所描述的国际标准升温曲线在钢筋混凝土的一侧表面施加温度作用，升温到1000度，进行传热分析得到钢筋混凝土构件的温度场；
2.对模型施加重力荷载和均布荷载，分析钢筋混凝土构件的内力及变形特性；
3.将第一步的所得到的温度场作为预定义场作用于钢筋混凝土构件，分析钢筋混凝土构件的内力及变形特性。
3.3 分析结果
1.传热分析
图5单面受火钢筋混凝土剪力墙 图6单面受火钢筋混凝土剪力墙的不受
NT11（温度）云纹图火面温度随时间的变化曲线
2.内力分析结果
（1）混凝土应力
图7荷载作用下的变形图图8荷载作用下的变形图
（2）钢筋应力
图9荷载作用下的变形图图10荷载作用下的变形图
4结论
从分析结果来看，ABAQUS能够很好的描述火灾下钢筋混凝土构件的应力、应变的变化情况。
对模型温度场的分析可以看出，受火面一侧的混凝土已经达到1000度的高温，而另一侧的不受火面的温度只有12度，内部钢筋处的最高温度也只有650度，分析中也可以看出，混凝土墙有1/2处于较低的温度水平，说明混凝土剪力墙具有很好的耐火性能。
从混凝土的变形图和应力图可以看出，荷载作用下最大位移为0. 2mm，温度场同荷载同时作用的最大位移为91mm，构件产生了巨大的膨胀变形。在荷载作用下混凝土的应力2.8MPa，温度场同荷载同时作用的混凝土的应力达到71.4MPa。
从钢筋的变形图和应力图可以看出，荷载作用下最大位移为0.199mm，温度场同荷载同时作用的最大位移为86.5mm，钢筋产生了很大的拉伸变形。在荷载作用下17MPa，温度场同荷载同时作用的856MPa。
参考文献
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