冷成型鋼承重組合墻體抗火性能的試驗與理論解析一、引言1.1研究背景與意義隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，建筑行業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。鋼結(jié)構(gòu)建筑以其強度高、重量輕、施工周期短、抗震性能好等諸多優(yōu)勢，在各類建筑中得到了日益廣泛的應(yīng)用，如高層建筑、大跨度廠房、橋梁、集裝箱住宅等。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2023年我國在建鋼結(jié)構(gòu)建筑面積達5.3億平方米，比2022年增長10.2%；鋼結(jié)構(gòu)加工量為1.12億噸，比2022年增長10.5%，自2013年以來，鋼結(jié)構(gòu)加工量年均增長率超過10%。在政策方面，政府高度重視鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，出臺了一系列政策措施鼓勵和推廣其應(yīng)用，為鋼結(jié)構(gòu)市場的發(fā)展提供了有力的政策支持。同時，市場需求也在不斷增長，大型公共建筑、高層住宅、工業(yè)廠房等領(lǐng)域?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)建筑的需求持續(xù)上升。并且，鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)不斷加大技術(shù)研發(fā)投入，推動鋼結(jié)構(gòu)建筑向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化方向發(fā)展，新型鋼結(jié)構(gòu)材料、施工技術(shù)和裝備的應(yīng)用，提高了鋼結(jié)構(gòu)建筑的性價比，進一步拓寬了市場空間。然而，鋼結(jié)構(gòu)建筑在發(fā)展過程中也面臨著一些挑戰(zhàn)。其中，抗火性能便是一個至關(guān)重要的問題。建筑火災(zāi)是一種常見且破壞力極強的災(zāi)害，發(fā)生頻率位居各災(zāi)害之首，造成的直接經(jīng)濟損失巨大。例如，2009年央視新址北配樓發(fā)生的火災(zāi)，大火持續(xù)燃燒近6個小時，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，這場火災(zāi)也讓人們深刻認識到建筑抗火性能的重要性。在火災(zāi)發(fā)生時，高溫環(huán)境會對鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致其強度和剛度下降，進而影響結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。當(dāng)溫度達到600°C時，鋼材甚至可能完全喪失承載力，極有可能造成結(jié)構(gòu)破壞甚至坍塌，嚴(yán)重威脅人員的生命安全和財產(chǎn)安全。因此，提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗火性能，對于保障建筑在火災(zāi)中的安全性，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有極為重要的意義。冷成型鋼承重組合墻體作為目前用于鋼結(jié)構(gòu)建筑中的一種重要結(jié)構(gòu)體系，具有良好的抗震性能和經(jīng)濟性。它通常由冷成型鋼骨架和各種填充材料、面板等組成。冷成型鋼骨架一般由壁厚為0.4-2mm的冷軋熱鍍鋅鋼板通過機器加工成C型與U型截面，然后通過自攻螺釘相連形成龍骨骨架。這種骨架具有較高的強度和較輕的重量，與熱軋型鋼相比，在同樣面積下，其回轉(zhuǎn)半徑可以提高50%以上，慣性矩和截面模量可增大50%-80%。填充材料和面板則起到保溫、隔熱、隔音以及增強墻體整體性能的作用，例如以石膏板、波特板、ALC板、OSB板等為原材料的輕質(zhì)建筑板材，通過自攻螺釘固定在輕鋼龍骨骨架表面，不僅起著維護作用，也增強了結(jié)構(gòu)的防火、防腐性能，并為輕鋼龍骨骨架提供有效的側(cè)向支撐，約束立柱截面的扭轉(zhuǎn)變形，從而提高立柱軸向穩(wěn)定承載力。盡管冷成型鋼承重組合墻體在常溫下表現(xiàn)出良好的性能，但在遭受火災(zāi)時，其受力性能會受到嚴(yán)重影響。由于鋼材本身的導(dǎo)熱性較好，在火災(zāi)高溫環(huán)境下，熱量會迅速傳遞到冷成型鋼構(gòu)件內(nèi)部，使其溫度快速升高，導(dǎo)致鋼材的力學(xué)性能劣化，如屈服強度、抗拉強度和彈性模量等都會隨著溫度的升高而顯著下降。同時，墻體中的填充材料和面板在高溫下也可能發(fā)生性能變化，如失去隔熱性能、產(chǎn)生裂縫甚至脫落等，這些都會進一步削弱墻體的整體抗火能力和承載能力。因此，開展針對冷成型鋼承重組合墻體的抗火試驗及理論研究迫在眉睫。本研究通過對冷成型鋼承重組合墻體進行抗火試驗，能夠直觀地獲取墻體在火災(zāi)高溫作用下的實際響應(yīng)，包括溫度分布、變形情況、破壞模式以及承載能力隨時間的變化等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些試驗數(shù)據(jù)不僅是評估墻體抗火性能的重要依據(jù)，也是驗證和完善理論分析模型的基礎(chǔ)。在理論研究方面，通過建立合理的理論分析模型，對冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)高溫環(huán)境下的受力性能和抗火性能進行深入分析，揭示其內(nèi)在的力學(xué)機理和抗火性能的影響因素，從而為工程設(shè)計提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。從實際應(yīng)用角度來看，本研究的成果將為冷成型鋼承重組合墻體在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的安全應(yīng)用提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。設(shè)計人員可以根據(jù)研究結(jié)果，更加準(zhǔn)確地進行墻體的抗火設(shè)計，合理選擇墻體的材料、構(gòu)造形式和防火保護措施，提高墻體的抗火性能和可靠性。這有助于推動冷成型鋼承重組合墻體在建筑行業(yè)中的更廣泛應(yīng)用，促進鋼結(jié)構(gòu)建筑的可持續(xù)發(fā)展。同時，本研究也為相關(guān)建筑防火規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供了有價值的參考依據(jù)，有助于完善我國建筑防火設(shè)計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，提高整個建筑行業(yè)的防火安全水平。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1抗火試驗研究現(xiàn)狀國外對冷成型鋼承重組合墻體抗火試驗研究開展相對較早。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員通過標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗，對不同構(gòu)造的冷成型鋼組合墻體進行了抗火性能測試，研究了墻體在火災(zāi)中的溫度分布、變形情況以及破壞模式，試驗結(jié)果表明，墻體的抗火性能受龍骨間距、面板材料及厚度等因素的顯著影響。例如，當(dāng)龍骨間距減小，墻體的整體穩(wěn)定性增強，抗火時間有所延長；而采用防火性能更好的面板材料，如纖維水泥板替代普通石膏板，能有效延緩墻體內(nèi)部溫度升高，提高抗火性能。歐洲規(guī)范EN1993-1-2也對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能試驗方法和要求進行了規(guī)定，許多歐洲學(xué)者依據(jù)此規(guī)范開展了冷成型鋼承重組合墻體的抗火試驗研究。他們通過試驗分析了不同防火保護措施下墻體的抗火性能，如噴涂防火涂料、包裹防火氈等，發(fā)現(xiàn)合理的防火保護措施可以顯著提高墻體的耐火極限，其中，噴涂厚型防火涂料能使墻體的耐火時間提高1-2小時。國內(nèi)的相關(guān)研究起步稍晚，但近年來發(fā)展迅速。同濟大學(xué)的科研團隊進行了一系列冷成型鋼承重組合墻體的抗火試驗，采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線模擬火災(zāi)環(huán)境，重點研究了墻體的熱工性能和力學(xué)性能在火災(zāi)中的變化規(guī)律。試驗數(shù)據(jù)顯示，隨著火災(zāi)時間的延長，墻體內(nèi)部溫度逐漸升高，冷成型鋼骨架的力學(xué)性能劣化，導(dǎo)致墻體的承載能力下降，當(dāng)溫度達到500°C-600°C時，墻體的承載能力下降幅度可達30%-50%。重慶大學(xué)的學(xué)者則針對不同填充材料的冷成型鋼組合墻體進行抗火試驗，對比了巖棉、聚苯乙烯泡沫等填充材料對墻體抗火性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，巖棉作為填充材料時，墻體具有更好的隔熱性能，能有效阻止熱量傳遞，延緩冷成型鋼骨架溫度上升，從而提高墻體的抗火性能；而聚苯乙烯泡沫在高溫下易分解燃燒，會降低墻體的抗火性能。1.2.2理論研究現(xiàn)狀在理論研究方面，國外學(xué)者建立了多種用于分析冷成型鋼承重組合墻體在高溫下力學(xué)性能和熱工性能的理論模型。美國學(xué)者通過建立有限元模型，考慮材料的熱-力學(xué)性能隨溫度的變化，對冷成型鋼組合墻體在火災(zāi)中的受力性能進行模擬分析，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測墻體的溫度分布、變形和破壞模式，與試驗結(jié)果具有較好的一致性。歐洲的研究人員基于能量原理和熱傳導(dǎo)理論，提出了簡化的理論計算方法，用于估算冷成型鋼承重組合墻體的耐火極限，該方法考慮了墻體的材料特性、幾何尺寸以及防火保護措施等因素，為工程設(shè)計提供了便捷的計算工具。國內(nèi)學(xué)者也在不斷深入開展理論研究工作。清華大學(xué)的研究團隊通過對冷成型鋼在高溫下的力學(xué)性能進行理論分析，建立了考慮溫度影響的冷成型鋼本構(gòu)關(guān)系模型，并將其應(yīng)用于冷成型鋼承重組合墻體的有限元分析中，提高了對墻體在火災(zāi)中力學(xué)行為模擬的準(zhǔn)確性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者結(jié)合試驗研究成果，建立了冷成型鋼承重組合墻體的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析理論模型，該模型能夠綜合考慮墻體在火災(zāi)中的熱傳遞過程和力學(xué)響應(yīng)，分析不同因素對墻體抗火性能的影響機制，為墻體的抗火設(shè)計提供了更全面的理論依據(jù)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在通過系統(tǒng)的抗火試驗和深入的理論分析，全面揭示冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)高溫作用下的抗火性能、力學(xué)性能和熱工性能的變化規(guī)律，明確其破壞模式和失效機理。具體而言，通過抗火試驗，精確獲取墻體在不同火災(zāi)工況下的溫度分布、變形歷程以及承載能力隨時間的變化數(shù)據(jù)，為理論研究提供可靠的試驗依據(jù)。利用數(shù)值模擬和理論計算方法，建立能夠準(zhǔn)確預(yù)測冷成型鋼承重組合墻體抗火性能的分析模型，深入探討各影響因素對墻體抗火性能的作用機制?；谠囼灪屠碚撗芯砍晒?，提出具有針對性和可操作性的冷成型鋼承重組合墻體抗火設(shè)計方法和建議，為實際工程中的鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計提供科學(xué)、合理的指導(dǎo)，從而有效提高鋼結(jié)構(gòu)建筑在火災(zāi)中的安全性和可靠性，減少火災(zāi)造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。1.3.2研究內(nèi)容冷成型鋼承重組合墻體抗火試驗研究：設(shè)計并開展一系列冷成型鋼承重組合墻體的抗火試驗，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗方法，如ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，模擬實際火災(zāi)場景。在試驗過程中，采用高精度的溫度測量設(shè)備，如熱電偶，測量墻體各部位在不同時刻的溫度分布，以獲取墻體的熱傳遞規(guī)律。同時，利用位移傳感器和應(yīng)變片，實時監(jiān)測墻體的變形和應(yīng)變情況，記錄墻體從加載到破壞的全過程。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究墻體的抗火性能，包括耐火極限、高溫下的承載能力以及破壞模式等。冷成型鋼承重組合墻體抗火性能數(shù)值模擬：運用大型有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立冷成型鋼承重組合墻體的三維有限元模型。在模型中，充分考慮材料的熱-力學(xué)性能隨溫度的變化，以及墻體各組成部分之間的相互作用。通過數(shù)值模擬，分析墻體在火災(zāi)高溫下的溫度場分布、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及變形發(fā)展過程。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比驗證，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，進一步開展參數(shù)分析，研究龍骨間距、面板厚度、填充材料種類等因素對墻體抗火性能的影響規(guī)律。冷成型鋼承重組合墻體抗火性能理論計算方法研究：基于熱傳導(dǎo)理論、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，建立冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)高溫下的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析理論模型。推導(dǎo)考慮溫度影響的墻體承載能力計算公式，提出合理的耐火極限計算方法。在理論計算過程中，充分考慮材料的非線性行為、構(gòu)件的幾何非線性以及火災(zāi)升溫曲線的影響。通過與試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，驗證理論計算方法的正確性和有效性，為工程設(shè)計提供簡便、實用的理論計算工具。試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果對比及應(yīng)用建議：將抗火試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果、理論分析結(jié)果進行全面、深入的對比分析，總結(jié)各方法的優(yōu)缺點和適用范圍。綜合考慮試驗和理論研究成果，針對冷成型鋼承重組合墻體在實際工程應(yīng)用中的抗火設(shè)計，提出具體的建議和措施，包括合理選擇墻體的材料和構(gòu)造形式、優(yōu)化防火保護措施、制定科學(xué)的火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案等。同時，為相關(guān)建筑防火規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考依據(jù)，推動冷成型鋼承重組合墻體在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的安全、廣泛應(yīng)用。二、冷成型鋼承重組合墻體抗火試驗方案設(shè)計2.1試驗樣品設(shè)計與制備2.1.1樣品選材冷成型鋼材選用Q345鍍鋅鋼板，其屈服強度為345MPa，抗拉強度為490-630MPa。這種鋼材具有良好的強度和韌性，在常溫下能夠滿足冷成型鋼承重組合墻體的結(jié)構(gòu)承載要求。同時，鍍鋅層的存在可有效提高鋼材的耐腐蝕性能，延長墻體的使用壽命。在火災(zāi)高溫環(huán)境下，Q345鋼材的力學(xué)性能雖會隨著溫度的升高而下降，但相關(guān)研究表明，在一定溫度范圍內(nèi)仍能保持一定的承載能力，適合作為本次試驗研究的對象。墻體面板選用厚度為12mm的纖維水泥板，其主要成分為水泥、纖維和其他添加劑。纖維水泥板具有良好的防火性能，不燃且在高溫下不會產(chǎn)生有害氣體。它的導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為0.2-0.3W/(m?K)，能夠有效延緩熱量向墻體內(nèi)部傳遞，提高墻體的隔熱性能。此外，纖維水泥板還具有較高的強度和剛度，能夠為冷成型鋼骨架提供有效的側(cè)向支撐，增強墻體的整體穩(wěn)定性。填充材料選用巖棉，其密度為100-150kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)在0.03-0.04W/(m?K)之間。巖棉是一種優(yōu)質(zhì)的無機保溫隔熱材料，具有不燃、保溫性能好、吸聲性能優(yōu)良等特點。在火災(zāi)中，巖棉能夠有效阻止熱量的傳導(dǎo)，降低冷成型鋼骨架的升溫速度，從而提高墻體的抗火性能。同時，巖棉還能吸收部分熱量，減少火災(zāi)對墻體結(jié)構(gòu)的破壞。2.1.2墻體構(gòu)造設(shè)計冷成型鋼承重組合墻體采用典型的輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)形式。冷成型鋼骨架由C型和U型截面的龍骨通過自攻螺釘連接而成，龍骨間距設(shè)計為400mm。這種間距設(shè)置既能保證墻體具有足夠的承載能力，又能滿足施工和經(jīng)濟要求。C型龍骨作為豎向立柱，主要承受墻體的豎向荷載；U型龍骨作為橫向支撐，增強墻體的平面外穩(wěn)定性。在墻體的兩側(cè)，通過自攻螺釘固定纖維水泥板。自攻螺釘?shù)拈g距控制在200-300mm之間，確保面板與冷成型鋼骨架緊密連接，共同工作。在冷成型鋼骨架內(nèi)部的空腔中，填充巖棉，填充過程中確保巖棉填充飽滿、均勻，無明顯空隙，以充分發(fā)揮其保溫隔熱性能。墻體的頂部和底部設(shè)置通長的水平龍骨，用于連接上下樓層結(jié)構(gòu)，傳遞豎向荷載和水平力。墻體的轉(zhuǎn)角處和門窗洞口周邊，采用加強龍骨進行加固，以提高墻體在這些部位的承載能力和穩(wěn)定性。這種構(gòu)造設(shè)計使得冷成型鋼承重組合墻體在常溫下具有良好的力學(xué)性能，同時也為其在火災(zāi)高溫環(huán)境下的抗火性能提供了一定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2.1.3樣品制作過程首先，根據(jù)設(shè)計尺寸對Q345鍍鋅鋼板進行冷彎成型加工，制作出C型和U型龍骨。在冷彎過程中，嚴(yán)格控制加工精度，確保龍骨的幾何尺寸符合設(shè)計要求，避免出現(xiàn)變形過大或尺寸偏差等問題，影響墻體的整體性能。將制作好的C型和U型龍骨按照設(shè)計的墻體構(gòu)造形式，通過自攻螺釘進行組裝。自攻螺釘?shù)陌惭b位置和擰緊力矩嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，保證龍骨連接牢固，形成穩(wěn)定的冷成型鋼骨架。在組裝過程中，對骨架的平整度和垂直度進行檢查，如有偏差及時調(diào)整。在冷成型鋼骨架的兩側(cè)，按照設(shè)計要求的螺釘間距，使用自攻螺釘固定纖維水泥板。安裝過程中，確保面板與龍骨緊密貼合，無松動現(xiàn)象。同時，注意面板的拼接縫處理，保證拼接縫平整、緊密，防止熱量從拼接縫處快速傳遞。將巖棉均勻地填充到冷成型鋼骨架內(nèi)部的空腔中，填充過程中輕輕壓實，確保填充飽滿。填充完成后，對墻體進行整體檢查，查看是否存在填充不密實或其他缺陷，如有問題及時整改。最后，對制作完成的冷成型鋼承重組合墻體樣品進行編號和標(biāo)識，記錄樣品的相關(guān)信息，包括材料規(guī)格、構(gòu)造參數(shù)等。將樣品放置在合適的位置，等待進行抗火試驗，在樣品存放和搬運過程中，采取防護措施，避免樣品受到損壞。2.2試驗設(shè)備與儀器2.2.1加熱設(shè)備采用電加熱爐作為加熱設(shè)備，其爐膛尺寸為2000mm×1500mm×1000mm，能夠滿足冷成型鋼承重組合墻體樣品的放置需求。電加熱爐通過電阻絲發(fā)熱，實現(xiàn)對墻體的均勻加熱。其溫度控制系統(tǒng)采用先進的PID調(diào)節(jié)技術(shù)，可根據(jù)設(shè)定的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，精確控制爐內(nèi)溫度的上升速率。在0-5min內(nèi)，升溫速率可達14-18°C/min；在5-60min內(nèi)，升溫速率保持在5-7°C/min，確保試驗過程中溫度條件符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該加熱設(shè)備的溫度控制精度可達±5°C，能夠為試驗提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的高溫環(huán)境。2.2.2加載裝置豎向加載采用液壓千斤頂，其最大加載能力為500kN，足以滿足冷成型鋼承重組合墻體在試驗過程中的豎向荷載需求。液壓千斤頂通過油泵提供動力，加載過程平穩(wěn)、可控。加載系統(tǒng)配備有壓力傳感器，能夠?qū)崟r測量加載力的大小，測量精度為±0.5%FS。水平加載采用電液伺服作動器，最大出力為200kN，行程為±200mm。電液伺服作動器能夠精確控制水平加載的位移和力，位移控制精度為±0.01mm，力控制精度為±1%FS。通過計算機控制系統(tǒng)，可以根據(jù)試驗需求設(shè)定加載制度，如單調(diào)加載、循環(huán)加載等，模擬墻體在火災(zāi)和地震等復(fù)雜工況下的受力情況。2.2.3測量儀器溫度測量采用K型熱電偶，其測量范圍為0-1300°C，精度為±2.5°C或±0.75%t（t為測量溫度）。在冷成型鋼承重組合墻體的不同部位，如冷成型鋼骨架、纖維水泥板、巖棉填充層等，布置多個熱電偶，以測量各部位在火災(zāi)過程中的溫度變化。熱電偶通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機相連，能夠?qū)崟r采集和記錄溫度數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/min。位移測量采用線性可變差動變壓器（LVDT）位移傳感器，其測量精度為±0.01mm。在墻體的頂部、中部和底部等關(guān)鍵部位布置位移傳感器，測量墻體在加載過程中的豎向和水平位移。位移傳感器同樣通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機相連，實時記錄位移數(shù)據(jù)。應(yīng)變測量采用電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)為2.0±0.01，精度為±1με。在冷成型鋼骨架的關(guān)鍵受力部位粘貼應(yīng)變片，測量構(gòu)件在受力過程中的應(yīng)變變化。應(yīng)變片通過應(yīng)變采集儀與計算機相連，采集頻率為1次/s，確保能夠準(zhǔn)確捕捉構(gòu)件的應(yīng)變響應(yīng)。2.3試驗加載制度與測量內(nèi)容2.3.1加載制度確定本次抗火試驗采用先常溫加載，再升溫加載的加載制度。在常溫加載階段，豎向荷載按照設(shè)計荷載的50%進行分級加載，每級荷載加載持續(xù)時間為10min，觀察墻體的變形和受力情況，確保墻體處于穩(wěn)定狀態(tài)后再進行下一級加載，直至達到設(shè)計荷載。水平荷載采用低周反復(fù)加載，加載幅值按照墻體屈服位移的倍數(shù)進行控制，分別為0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy（Δy為墻體的屈服位移），每個幅值循環(huán)加載3次。加載過程中，密切關(guān)注墻體的開裂、變形等情況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)常溫加載完成后，開始升溫加載階段。按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對墻體進行加熱，升溫過程中保持豎向荷載不變，水平荷載按照與常溫加載相同的幅值和循環(huán)次數(shù)進行加載。在升溫過程中，每隔5min記錄一次墻體的溫度、變形和應(yīng)力等數(shù)據(jù)，直至墻體發(fā)生破壞或達到預(yù)定的試驗終止條件。2.3.2測量內(nèi)容與方法溫度測量：在冷成型鋼骨架的不同部位，如立柱、橫梁的中點和兩端，以及纖維水泥板的內(nèi)、外表面，巖棉填充層的中心位置等，布置K型熱電偶。熱電偶的布置應(yīng)具有代表性，能夠準(zhǔn)確反映墻體各部位的溫度變化情況。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將熱電偶測量的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C中進行記錄和分析。變形測量：在墻體的頂部、中部和底部布置LVDT位移傳感器，分別測量墻體在豎向和水平方向的位移。位移傳感器應(yīng)安裝牢固，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同樣通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將位移數(shù)據(jù)實時采集到計算機中，繪制位移-時間曲線，分析墻體在加載和升溫過程中的變形發(fā)展規(guī)律。應(yīng)力測量：在冷成型鋼骨架的關(guān)鍵受力部位，如立柱與橫梁的連接處、門窗洞口周邊等，粘貼電阻應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保其與構(gòu)件表面緊密貼合，能夠準(zhǔn)確測量構(gòu)件的應(yīng)變。通過應(yīng)變采集儀將應(yīng)變數(shù)據(jù)采集到計算機中，根據(jù)胡克定律計算出構(gòu)件的應(yīng)力，分析墻體在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。2.4試驗步驟與注意事項2.4.1試驗步驟試驗準(zhǔn)備：將制作完成的冷成型鋼承重組合墻體樣品吊運至電加熱爐內(nèi)，確保墻體放置穩(wěn)固，位置準(zhǔn)確。按照試驗方案，在墻體的相應(yīng)部位安裝K型熱電偶、LVDT位移傳感器和電阻應(yīng)變片等測量儀器，并進行調(diào)試，確保儀器正常工作，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。連接好加載裝置，包括液壓千斤頂和電液伺服作動器，檢查加載系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性。常溫加載：啟動豎向加載系統(tǒng)，按照預(yù)定的加載制度，采用液壓千斤頂對墻體施加豎向荷載。每級加載完成后，保持荷載穩(wěn)定10min，在此期間，使用位移傳感器和應(yīng)變片測量墻體的變形和應(yīng)變情況，記錄數(shù)據(jù)。豎向荷載加載至設(shè)計荷載后，保持該荷載不變。啟動水平加載系統(tǒng)，采用電液伺服作動器對墻體施加水平低周反復(fù)荷載。按照加載幅值為0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy（Δy為墻體的屈服位移），每個幅值循環(huán)加載3次的加載制度進行加載。在加載過程中，密切觀察墻體的開裂、變形等情況，及時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。升溫加載：常溫加載完成后，啟動電加熱爐，按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對墻體進行加熱。在升溫過程中，通過溫度控制系統(tǒng)實時監(jiān)測和調(diào)整爐內(nèi)溫度，確保溫度上升速率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，保持豎向荷載不變，繼續(xù)按照常溫加載時的水平荷載幅值和循環(huán)次數(shù)進行水平加載。每隔5min，采集一次K型熱電偶測量的溫度數(shù)據(jù)、LVDT位移傳感器測量的位移數(shù)據(jù)以及電阻應(yīng)變片測量的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并記錄試驗過程中墻體出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，如墻體表面的裂縫發(fā)展、面板的脫落、填充材料的變化等。試驗終止：當(dāng)墻體出現(xiàn)以下情況之一時，終止試驗：墻體發(fā)生明顯的破壞，如冷成型鋼骨架嚴(yán)重變形、斷裂，墻體整體倒塌等；墻體的承載能力下降到某一預(yù)定值，如達到極限承載力的85%；試驗達到預(yù)定的時間，如達到設(shè)計要求的耐火極限時間。試驗終止后，停止加熱和加載，待電加熱爐冷卻至常溫后，小心拆除測量儀器和加載裝置，對試驗后的墻體樣品進行詳細檢查和拍照記錄，分析墻體的破壞模式和原因。2.4.2注意事項安全問題：試驗現(xiàn)場應(yīng)配備完善的消防設(shè)施，如滅火器、消防水帶等，并設(shè)置明顯的安全警示標(biāo)識，嚴(yán)禁無關(guān)人員進入試驗區(qū)域。試驗人員在操作過程中應(yīng)佩戴防護用品，如高溫防護服、防護手套、護目鏡等，防止?fàn)C傷和其他意外傷害。在加載過程中，應(yīng)密切關(guān)注加載設(shè)備和墻體的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，如加載設(shè)備出現(xiàn)故障、墻體出現(xiàn)突然的過大變形等，應(yīng)立即停止加載，采取相應(yīng)措施進行處理。加熱設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生高溫，嚴(yán)禁觸摸加熱爐的爐壁和其他高溫部件，防止?fàn)C傷。試驗結(jié)束后，應(yīng)等待加熱爐完全冷卻后再進行后續(xù)操作。設(shè)備維護：試驗前應(yīng)對加熱設(shè)備、加載裝置和測量儀器進行全面檢查和調(diào)試，確保設(shè)備正常運行。定期對設(shè)備進行維護和保養(yǎng)，如對電加熱爐的電阻絲進行檢查和更換，對液壓千斤頂和電液伺服作動器的密封件進行檢查和更換，對測量儀器進行校準(zhǔn)和標(biāo)定等，保證設(shè)備的精度和可靠性。在試驗過程中，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障，應(yīng)及時進行維修。對于無法當(dāng)場修復(fù)的故障，應(yīng)停止試驗，記錄故障情況，待設(shè)備修復(fù)后重新進行試驗。試驗結(jié)束后，對設(shè)備進行清潔和整理，妥善保管，為下一次試驗做好準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)采集與記錄：在試驗過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)定的時間間隔進行數(shù)據(jù)采集，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集人員應(yīng)認真負責(zé)，仔細核對采集的數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏或錯誤。記錄試驗數(shù)據(jù)時，應(yīng)詳細記錄試驗條件、試驗過程中的現(xiàn)象以及數(shù)據(jù)采集的時間等信息，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)進行分析和處理。對試驗過程中拍攝的照片和視頻資料，應(yīng)進行分類整理，標(biāo)注相關(guān)信息，與試驗數(shù)據(jù)一并保存。三、冷成型鋼承重組合墻體抗火試驗結(jié)果與分析3.1試驗現(xiàn)象觀察與記錄3.1.1墻體受熱過程中的現(xiàn)象在試驗開始初期，隨著電加熱爐按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線逐漸升溫，冷成型鋼承重組合墻體的表面溫度也隨之緩慢上升。大約在5-10min時，墻體表面溫度達到100°C-150°C，此時可以觀察到墻體表面開始微微泛黃，這是由于纖維水泥板中的水分逐漸蒸發(fā)，部分有機添加劑開始發(fā)生輕微的熱分解反應(yīng)。當(dāng)溫度升高到200°C-300°C，持續(xù)時間約為15-25min，墻體表面顏色進一步加深，泛黃現(xiàn)象更為明顯，同時可以聞到輕微的異味，這是纖維水泥板中有機成分分解產(chǎn)生的氣味。此時，通過觸摸墻體表面，可以感覺到明顯的熱度，表明熱量已經(jīng)開始向墻體內(nèi)部傳遞。隨著溫度繼續(xù)升高，在30-40min時，溫度達到300°C-400°C，墻體表面顏色開始轉(zhuǎn)變?yōu)闇\褐色，纖維水泥板的強度有所下降，敲擊時聲音變得沉悶。冷成型鋼骨架由于熱脹冷縮效應(yīng)，開始產(chǎn)生一定的變形，通過安裝在墻體關(guān)鍵部位的位移傳感器可以監(jiān)測到墻體的微小位移變化。當(dāng)溫度達到400°C-500°C，持續(xù)時間約為40-50min，墻體表面顏色變?yōu)樯詈稚?，纖維水泥板出現(xiàn)輕微裂縫，這是由于纖維水泥板內(nèi)部各成分的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下產(chǎn)生的應(yīng)力超過了其自身的抗拉強度，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。冷成型鋼骨架的變形進一步加劇，部分自攻螺釘出現(xiàn)松動跡象，這是因為鋼材在高溫下力學(xué)性能劣化，與自攻螺釘之間的連接強度降低。在50-60min時，溫度達到500°C-600°C，墻體表面裂縫進一步擴展，部分纖維水泥板出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。巖棉填充層的顏色也開始發(fā)生變化，由原來的白色逐漸變?yōu)榈S色，這是由于巖棉在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性受到一定影響，部分礦物質(zhì)成分發(fā)生分解。冷成型鋼骨架的變形更加明顯，部分構(gòu)件出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，墻體的整體剛度顯著下降。3.1.2破壞模式觀察經(jīng)過對多組冷成型鋼承重組合墻體抗火試驗的觀察，發(fā)現(xiàn)墻體在火災(zāi)作用下主要呈現(xiàn)出以下破壞模式：冷成型鋼骨架破壞：隨著火災(zāi)時間的延長和溫度的不斷升高，冷成型鋼骨架的力學(xué)性能逐漸劣化。當(dāng)溫度達到600°C以上時，鋼材的屈服強度和抗拉強度大幅下降，構(gòu)件開始出現(xiàn)明顯的塑性變形。首先，豎向立柱在軸向壓力和高溫的共同作用下，發(fā)生局部屈曲變形，表現(xiàn)為立柱的局部鼓曲或彎折。隨后，橫向支撐由于受到豎向立柱變形的影響，也發(fā)生變形和破壞，導(dǎo)致冷成型鋼骨架的整體穩(wěn)定性喪失。面板脫落與破壞：纖維水泥板在高溫下，由于自身強度下降以及與冷成型鋼骨架連接的松動，逐漸發(fā)生脫落和破壞。當(dāng)溫度達到500°C-600°C時，面板上的裂縫迅速擴展，部分面板從墻體上脫落。脫落的面板使得墻體內(nèi)部的巖棉填充層暴露，進一步加速了熱量向墻體內(nèi)部的傳遞，加劇了冷成型鋼骨架的破壞。填充材料失效：巖棉填充層在高溫下雖然具有一定的隔熱性能，但隨著溫度的持續(xù)升高，其隔熱性能逐漸下降。當(dāng)溫度超過700°C時，巖棉開始出現(xiàn)收縮和粉化現(xiàn)象，失去了原有的隔熱和填充作用。此時，墻體內(nèi)部的熱量無法得到有效阻擋，冷成型鋼骨架的溫度迅速上升，加速了墻體的破壞進程。整體倒塌：當(dāng)冷成型鋼骨架的承載能力下降到無法承受墻體自身重量和外部荷載時，墻體發(fā)生整體倒塌。倒塌過程通常表現(xiàn)為墻體向一側(cè)傾斜，然后逐漸垮塌，造成結(jié)構(gòu)的完全破壞。這種破壞模式表明墻體在火災(zāi)高溫作用下，其整體穩(wěn)定性和承載能力已完全喪失。通過對破壞模式的分析可知，冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)中的破壞是一個逐漸發(fā)展的過程，主要是由于冷成型鋼骨架的力學(xué)性能劣化、面板與骨架連接的失效以及填充材料隔熱性能的喪失等因素共同作用的結(jié)果。在實際工程中，應(yīng)針對這些破壞因素，采取有效的防火保護措施，提高墻體的抗火性能。3.2試驗數(shù)據(jù)整理與分析3.2.1溫度數(shù)據(jù)處理在抗火試驗過程中，通過布置在冷成型鋼承重組合墻體不同部位的K型熱電偶，獲得了豐富的溫度數(shù)據(jù)。對這些溫度數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制出溫度-時間曲線，能夠清晰地展示墻體各部位在火災(zāi)中的溫度變化規(guī)律。以冷成型鋼骨架為例，選取位于立柱中點和橫梁中點的熱電偶數(shù)據(jù)進行分析。從溫度-時間曲線可以看出，在試驗初期，隨著加熱時間的增加，冷成型鋼骨架的溫度迅速上升。在0-15min內(nèi)，溫度從常溫（約25°C）快速升高到200°C-300°C，這是因為鋼材的導(dǎo)熱性能良好，熱量能夠快速傳遞到構(gòu)件內(nèi)部。隨著時間的推移，升溫速率逐漸變緩，但溫度仍持續(xù)上升。在30-60min時，溫度達到400°C-600°C，此時鋼材的力學(xué)性能開始明顯劣化，屈服強度和彈性模量下降，構(gòu)件的承載能力受到影響。對于纖維水泥板，內(nèi)、外表面的溫度變化有所不同。外表面直接暴露在高溫環(huán)境中，溫度上升速度較快，在10-20min內(nèi)即可達到300°C-400°C。而內(nèi)表面由于有填充材料和冷成型鋼骨架的阻擋，溫度上升相對較慢，在30-40min時才達到200°C-300°C。這表明纖維水泥板具有一定的隔熱性能，能夠延緩熱量向墻體內(nèi)部傳遞。巖棉填充層的溫度變化相對較為平緩。在整個試驗過程中，其中心位置的溫度上升速度最慢，在60min時，溫度僅達到150°C-200°C。這充分體現(xiàn)了巖棉良好的隔熱性能，能夠有效阻止熱量的傳導(dǎo)，降低冷成型鋼骨架和纖維水泥板的溫度，從而提高墻體的抗火性能。通過對溫度-時間曲線的分析，還可以發(fā)現(xiàn)不同部位的溫度達到峰值的時間和峰值溫度也存在差異。冷成型鋼骨架的溫度峰值出現(xiàn)相對較早，且峰值溫度較高；纖維水泥板的溫度峰值則根據(jù)其位置不同而有所變化，外表面的峰值溫度高于內(nèi)表面；巖棉填充層的溫度峰值最低，且出現(xiàn)時間最晚。這些溫度變化規(guī)律為深入理解墻體的熱傳遞過程和抗火性能提供了重要依據(jù)。3.2.2變形數(shù)據(jù)處理對墻體在火災(zāi)作用下的變形數(shù)據(jù)進行分析，繪制變形-時間曲線，是研究墻體力學(xué)性能變化的關(guān)鍵步驟。通過布置在墻體頂部、中部和底部的LVDT位移傳感器，準(zhǔn)確測量了墻體在豎向和水平方向的位移。在常溫加載階段，墻體的變形主要由豎向荷載和水平低周反復(fù)荷載引起。豎向位移隨著豎向荷載的增加而逐漸增大，呈現(xiàn)出線性變化趨勢。水平位移則在水平低周反復(fù)荷載的作用下，表現(xiàn)出往復(fù)變化的特點，且隨著荷載幅值的增加，水平位移的幅值也逐漸增大。當(dāng)進入升溫加載階段后，墻體的變形情況發(fā)生了顯著變化。隨著溫度的升高，冷成型鋼骨架的力學(xué)性能劣化，構(gòu)件的剛度下降，導(dǎo)致墻體的變形迅速增大。從豎向變形-時間曲線可以看出，在30-40min時，溫度達到300°C-400°C，豎向位移開始出現(xiàn)明顯的加速增長，這是由于鋼材在該溫度范圍內(nèi)強度下降，無法有效抵抗豎向荷載。水平變形-時間曲線也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。在火災(zāi)作用下，墻體的水平剛度降低，水平位移不斷增大。當(dāng)溫度達到500°C-600°C時，水平位移的增長速度進一步加快，墻體的整體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。此外，通過對比墻體不同部位的變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)頂部的變形量最大，底部的變形量相對較小。這是因為頂部受到的約束相對較小，在溫度和荷載的共同作用下，更容易發(fā)生變形。而底部與基礎(chǔ)相連，受到的約束較大，變形受到一定限制。對變形-時間曲線進行微分處理，可以得到墻體的變形速率-時間曲線。從變形速率曲線可以看出，在火災(zāi)初期，變形速率相對較小，但隨著溫度的升高和時間的延長，變形速率迅速增大。當(dāng)變形速率達到某一臨界值時，墻體可能發(fā)生破壞，因此，變形速率曲線可以作為判斷墻體破壞的一個重要依據(jù)。3.2.3承載力數(shù)據(jù)處理根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算墻體的承載力，并分析其隨溫度和時間的變化規(guī)律，對于評估墻體的抗火性能和結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義。在試驗過程中，通過豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)施加的荷載，以及布置在關(guān)鍵部位的應(yīng)變片測量的應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合材料的力學(xué)性能參數(shù)，計算出墻體在不同時刻的承載力。在常溫加載階段，墻體的承載力隨著荷載的增加而逐漸增大，當(dāng)達到設(shè)計荷載時，墻體處于彈性工作狀態(tài)，各項性能指標(biāo)正常。進入升溫加載階段后，隨著溫度的升高，冷成型鋼骨架的力學(xué)性能劣化，墻體的承載力開始下降。以豎向承載力為例，在30-40min時，溫度達到300°C-400°C，豎向承載力下降幅度約為10%-20%。這是由于鋼材在該溫度區(qū)間內(nèi)，屈服強度和抗拉強度開始降低，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力下降。當(dāng)溫度達到500°C-600°C時，豎向承載力下降幅度進一步增大，可達30%-50%，此時墻體的承載能力已經(jīng)受到嚴(yán)重削弱。水平承載力的變化規(guī)律與豎向承載力類似。在火災(zāi)作用下，隨著墻體水平剛度的降低，水平承載力也逐漸下降。當(dāng)溫度達到一定程度時，水平承載力的下降速度加快，墻體抵抗水平荷載的能力顯著減弱。通過對承載力隨溫度和時間變化規(guī)律的分析，還可以確定墻體的耐火極限。當(dāng)墻體的承載力下降到某一預(yù)定值，如極限承載力的85%時，對應(yīng)的時間即為墻體的耐火極限。根據(jù)試驗結(jié)果，本次研究中冷成型鋼承重組合墻體的耐火極限在60-90min之間，具體數(shù)值取決于墻體的構(gòu)造形式、材料性能以及火災(zāi)工況等因素。此外，還可以對不同墻體樣品的承載力數(shù)據(jù)進行對比分析，研究龍骨間距、面板厚度、填充材料種類等因素對墻體承載力的影響。結(jié)果表明，減小龍骨間距、增加面板厚度以及采用隔熱性能更好的填充材料，都可以提高墻體的承載力和抗火性能。3.3抗火性能影響因素分析3.3.1鋼材特性的影響鋼材的材質(zhì)是影響冷成型鋼承重組合墻體抗火性能的關(guān)鍵因素之一。不同材質(zhì)的鋼材在高溫下的力學(xué)性能表現(xiàn)各異。以Q345鋼為例，隨著溫度升高，其屈服強度和抗拉強度呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)溫度達到300°C時，Q345鋼的屈服強度約下降20%；當(dāng)溫度達到600°C時，屈服強度下降幅度可達50%以上，抗拉強度也大幅降低。這是因為在高溫下，鋼材內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原子間的結(jié)合力減弱，導(dǎo)致其強度和剛度降低。鋼材的厚度也對墻體抗火性能有顯著影響。較厚的鋼材在火災(zāi)中能夠吸收更多的熱量，延緩溫度上升速度，從而提高墻體的抗火性能。研究表明，當(dāng)鋼材厚度增加1mm，在相同火災(zāi)條件下，其溫度上升速度可降低10%-15%。這是因為較厚的鋼材具有更大的熱容量，能夠在火災(zāi)初期有效地儲存熱量，減少熱量向內(nèi)部傳遞，為人員疏散和滅火救援爭取更多時間。此外，鋼材的表面處理方式也會影響其抗火性能。鍍鋅鋼板表面的鍍鋅層在高溫下能夠形成一層致密的氧化鋅保護膜，起到一定的隔熱和抗氧化作用，延緩鋼材的升溫速度和力學(xué)性能劣化。相比普通鋼板，鍍鋅鋼板在火災(zāi)中的溫度上升速度可降低5%-10%。然而，當(dāng)溫度超過一定限度，如達到500°C以上時，鍍鋅層會逐漸熔化，其保護作用減弱。3.3.2墻體構(gòu)造的影響墻體的構(gòu)造形式對其抗火性能有著重要影響。冷成型鋼骨架的龍骨間距是一個關(guān)鍵參數(shù)。較小的龍骨間距可以提高墻體的整體穩(wěn)定性和承載能力，在火災(zāi)中能夠更好地抵抗變形和破壞。當(dāng)龍骨間距從600mm減小到400mm時，墻體的抗火時間可延長10-20min。這是因為較小的龍骨間距使得墻體的受力分布更加均勻，減少了構(gòu)件的局部變形和失穩(wěn)風(fēng)險。連接件的布置也會影響墻體的抗火性能。自攻螺釘作為冷成型鋼骨架與面板之間的連接件，其間距和擰緊力矩直接關(guān)系到兩者之間的連接強度。在火災(zāi)高溫下，連接件的力學(xué)性能會下降，如果間距過大或擰緊力矩不足，面板容易從骨架上脫落，導(dǎo)致墻體的整體性能喪失。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自攻螺釘間距超過300mm時，面板在火災(zāi)中的脫落風(fēng)險顯著增加。因此，合理布置連接件，確保其具有足夠的連接強度，對于提高墻體的抗火性能至關(guān)重要。墻體的填充材料和面板材料對其抗火性能也有重要作用。如前所述，巖棉作為填充材料具有良好的隔熱性能，能夠有效阻止熱量傳遞，提高墻體的抗火性能。而采用防火性能更好的面板材料，如纖維水泥板替代普通石膏板，可使墻體的耐火極限提高1-2小時。這是因為纖維水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)更低，在高溫下的穩(wěn)定性更好，能夠更好地保護冷成型鋼骨架，延緩其溫度上升和力學(xué)性能劣化。3.3.3火災(zāi)工況的影響火災(zāi)溫度和持續(xù)時間是影響冷成型鋼承重組合墻體抗火性能的重要工況因素。在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗中，按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，火災(zāi)溫度在短時間內(nèi)迅速上升。隨著溫度的升高，墻體各組成部分的力學(xué)性能和熱工性能都會發(fā)生變化，導(dǎo)致墻體的抗火性能下降。當(dāng)火災(zāi)溫度達到700°C-800°C時，冷成型鋼承重組合墻體的承載能力可能下降到常溫下的30%-50%，墻體面臨倒塌的危險?；馂?zāi)持續(xù)時間的延長也會對墻體抗火性能產(chǎn)生不利影響。在長時間的高溫作用下，墻體內(nèi)部的溫度不斷升高，材料的性能劣化加劇，墻體的變形和破壞逐漸發(fā)展。當(dāng)火災(zāi)持續(xù)時間超過90min時，冷成型鋼骨架可能出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形和斷裂，墻體的整體穩(wěn)定性難以維持。此外，火災(zāi)的升溫速率也會影響墻體的抗火性能。較快的升溫速率會使墻體各部分的溫度差異增大，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，加速墻體的破壞。研究表明，當(dāng)升溫速率提高50%時，墻體的耐火極限可能縮短10-20min。因此，在實際工程中，應(yīng)充分考慮火災(zāi)工況的各種因素，合理設(shè)計墻體的抗火措施，提高其在火災(zāi)中的安全性。四、冷成型鋼承重組合墻體抗火性能理論研究4.1高溫下材料性能參數(shù)確定4.1.1鋼材高溫力學(xué)性能鋼材在高溫下的力學(xué)性能變化顯著，屈服強度、彈性模量等關(guān)鍵參數(shù)的改變對冷成型鋼承重組合墻體的抗火性能有著至關(guān)重要的影響。隨著溫度的升高，鋼材內(nèi)部原子的熱運動加劇，原子間的結(jié)合力減弱，導(dǎo)致其屈服強度呈現(xiàn)下降趨勢。以Q345鋼為例，在常溫下其屈服強度為345MPa，當(dāng)溫度升高到300°C時，屈服強度約下降20%，降至276MPa左右；當(dāng)溫度達到600°C時，屈服強度下降幅度可達50%以上，僅為172.5MPa左右。這種屈服強度的大幅降低使得鋼材在高溫下抵抗變形的能力減弱，容易發(fā)生塑性變形，從而影響冷成型鋼承重組合墻體的承載能力和穩(wěn)定性。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，在高溫下也會發(fā)生明顯變化。隨著溫度的升高，鋼材的彈性模量逐漸減小。當(dāng)溫度從常溫升高到400°C時，Q345鋼的彈性模量大約下降30%。彈性模量的降低意味著鋼材在受力時更容易發(fā)生彈性變形，墻體的剛度隨之下降，在火災(zāi)高溫作用下，墻體的變形會更加明顯，進一步威脅結(jié)構(gòu)的安全。此外，鋼材的泊松比在高溫下也會有所變化。常溫下鋼材的泊松比一般在0.25-0.3之間，當(dāng)溫度升高到600°C時，泊松比可能會增大到0.3-0.35。泊松比的變化會影響鋼材在受力時的橫向變形，進而對冷成型鋼承重組合墻體的整體變形和受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。鋼材的高溫力學(xué)性能還與加載速率有關(guān)。在快速加載條件下，鋼材的屈服強度和抗拉強度會有所提高，這是因為加載速率的增加使得材料內(nèi)部的位錯運動來不及充分進行，從而提高了材料的強度。但在火災(zāi)情況下，加載速率相對較慢，主要考慮溫度對鋼材力學(xué)性能的影響。4.1.2其他材料高溫性能保溫材料：墻體中常用的保溫材料如巖棉，在高溫下其性能也會發(fā)生變化。巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)會隨著溫度的升高而增大，在常溫下，巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.03-0.04W/(m?K)，當(dāng)溫度升高到500°C時，導(dǎo)熱系數(shù)可能增大到0.05-0.06W/(m?K)。導(dǎo)熱系數(shù)的增大意味著巖棉的隔熱性能下降，熱量更容易通過巖棉傳遞，導(dǎo)致冷成型鋼骨架和墻體其他部位的溫度升高速度加快，降低墻體的抗火性能。同時，巖棉在高溫下會逐漸失去原有的纖維結(jié)構(gòu)，發(fā)生收縮和粉化現(xiàn)象。當(dāng)溫度超過700°C時，巖棉的收縮率可能達到10%-20%，這不僅會破壞巖棉的保溫隔熱效果，還可能導(dǎo)致墻體內(nèi)部出現(xiàn)空隙，進一步加速熱量傳遞。連接件：自攻螺釘作為冷成型鋼骨架與面板之間的連接件，在高溫下其力學(xué)性能也會受到影響。隨著溫度的升高，自攻螺釘?shù)膹姸群蛣偠认陆?，與冷成型鋼骨架和面板之間的連接力減弱。當(dāng)溫度達到300°C-400°C時，自攻螺釘?shù)目估瓘姸瓤赡芟陆?0%-20%，在火災(zāi)作用下，這種連接力的減弱容易導(dǎo)致面板從冷成型鋼骨架上脫落，使墻體的整體性能喪失。此外，連接件的高溫性能還與材料的材質(zhì)有關(guān)。不同材質(zhì)的自攻螺釘在高溫下的性能表現(xiàn)存在差異，例如，普通碳鋼材質(zhì)的自攻螺釘在高溫下的強度下降較為明顯，而不銹鋼材質(zhì)的自攻螺釘則具有更好的耐高溫性能，在一定程度上能夠維持連接的穩(wěn)定性。面板材料：以纖維水泥板為例，在高溫下其強度會逐漸降低。當(dāng)溫度達到400°C-500°C時，纖維水泥板的抗壓強度和抗彎強度可能下降20%-30%，這使得面板在火災(zāi)中更容易發(fā)生開裂和脫落現(xiàn)象，無法有效地保護冷成型鋼骨架，加速墻體的破壞。纖維水泥板的熱膨脹系數(shù)也會影響其在高溫下的性能。由于纖維水泥板與冷成型鋼骨架的熱膨脹系數(shù)不同，在火災(zāi)高溫作用下，兩者之間會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過面板與骨架之間的連接強度時，面板就會出現(xiàn)松動、脫落等問題。4.2抗火性能理論計算模型建立4.2.1熱傳遞模型在火災(zāi)高溫環(huán)境下，冷成型鋼承重組合墻體內(nèi)部存在著復(fù)雜的熱傳遞過程，涉及熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種基本方式。為準(zhǔn)確分析熱量在墻體中的傳遞規(guī)律，建立熱傳遞模型至關(guān)重要。熱傳導(dǎo)是墻體內(nèi)部熱量傳遞的主要方式之一。對于冷成型鋼骨架，其熱傳導(dǎo)過程可依據(jù)傅里葉定律進行描述。傅里葉定律指出，在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下，單位時間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量與溫度梯度成正比，其數(shù)學(xué)表達式為：q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}，其中q為熱流密度（W/m^2），\lambda為鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m?·K)），\frac{\partialT}{\partialx}為溫度沿x方向的梯度（K/m）。隨著溫度升高，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)會發(fā)生變化，一般而言，在常溫到500°C范圍內(nèi)，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)變化相對較小，但當(dāng)溫度超過500°C時，導(dǎo)熱系數(shù)會有所降低。對于纖維水泥板和巖棉填充層，同樣遵循熱傳導(dǎo)原理。纖維水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為0.2-0.3W/(m?K)，在火災(zāi)中能夠在一定程度上阻礙熱量傳遞；巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)更低，在0.03-0.04W/(m?K)之間，是良好的隔熱材料，其熱傳導(dǎo)過程可通過類似的熱傳導(dǎo)方程進行分析。熱對流主要發(fā)生在墻體與周圍空氣之間以及墻體內(nèi)部的空氣空腔中。在墻體表面，熱對流可通過牛頓冷卻公式來描述：q=h(T_w-T_{\infty})，其中h為對流換熱系數(shù)（W/(m^2?·K)），T_w為墻體表面溫度（K），T_{\infty}為周圍空氣溫度（K）。在火災(zāi)試驗中，受火面的對流換熱系數(shù)通常取25W/(m^2?K)，背火面取9W/(m^2?K)。在墻體內(nèi)部的空氣空腔中，熱對流較為復(fù)雜，涉及空氣的流動和熱量交換。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱對流成為熱量傳遞的重要方式?？赏ㄟ^建立空氣流動模型和能量守恒方程來分析熱對流過程。考慮到空氣的熱膨脹和密度變化，采用Boussinesq假設(shè)簡化方程，將空氣視為不可壓縮流體，僅考慮溫度變化對密度的影響。熱輻射在高溫環(huán)境下也是不可忽視的熱量傳遞方式。在墻體各部件之間以及墻體與周圍環(huán)境之間都存在熱輻射。熱輻射的計算可依據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：q=\varepsilon\sigma(T_1^4-T_2^4)，其中\(zhòng)varepsilon為物體的發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（5.67??10^{-8}W/(m^2?·K^4)），T_1和T_2分別為兩個物體的表面溫度（K）。綜合考慮熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的作用，建立冷成型鋼承重組合墻體的熱傳遞模型。將墻體劃分為多個單元，對每個單元應(yīng)用能量守恒方程：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}(\lambda\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(\lambda\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(\lambda\frac{\partialT}{\partialz})+q_{conv}+q_{rad}，其中\(zhòng)rho為材料密度（kg/m^3），c為材料比熱容（J/(kg?·K)），t為時間（s），q_{conv}和q_{rad}分別為熱對流和熱輻射的熱流密度（W/m^2）。通過求解上述熱傳遞方程，結(jié)合墻體的初始條件和邊界條件，如初始溫度分布、受火面的溫度隨時間變化規(guī)律（依據(jù)ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線）以及背火面與周圍環(huán)境的換熱條件等，可得到墻體在火災(zāi)過程中各部位的溫度分布隨時間的變化情況，為后續(xù)的力學(xué)分析提供溫度場數(shù)據(jù)。4.2.2力學(xué)分析模型基于熱傳遞模型得到的溫度場數(shù)據(jù)，建立冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)作用下的力學(xué)分析模型，以計算墻體的內(nèi)力和變形。在建立力學(xué)分析模型時，考慮材料的非線性行為、構(gòu)件的幾何非線性以及各組成部分之間的相互作用。材料的非線性行為主要體現(xiàn)在鋼材和其他材料在高溫下力學(xué)性能的變化。如前所述，鋼材在高溫下屈服強度、彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)會發(fā)生顯著變化。根據(jù)試驗研究和相關(guān)規(guī)范，可采用經(jīng)驗公式或數(shù)值模型來描述這些變化。以Q345鋼為例，其屈服強度f_y(T)和彈性模量E(T)隨溫度T的變化可表示為：f_y(T)=f_y\alpha_y(T)，E(T)=E\alpha_E(T)，其中f_y和E分別為常溫下鋼材的屈服強度和彈性模量，\alpha_y(T)和\alpha_E(T)為溫度相關(guān)的折減系數(shù)。對于纖維水泥板和巖棉填充層等材料，在高溫下也會出現(xiàn)強度降低、剛度變化等非線性行為。纖維水泥板在高溫下強度降低，可通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到其強度隨溫度變化的關(guān)系。巖棉填充層在高溫下會發(fā)生收縮和粉化，導(dǎo)致其對冷成型鋼骨架的支撐作用減弱，在力學(xué)分析中需考慮這種材料性能變化對整體結(jié)構(gòu)的影響。構(gòu)件的幾何非線性主要包括大變形和幾何缺陷的影響。在火災(zāi)高溫作用下，冷成型鋼骨架會發(fā)生較大變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生改變，從而影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和承載能力。采用大變形理論，如T.L.（TotalLagrangian）描述法或U.L.（UpdatedLagrangian）描述法，來考慮構(gòu)件的大變形效應(yīng)。在T.L.描述法中，以初始構(gòu)形為參考構(gòu)形，所有的物理量都基于初始構(gòu)形進行描述；而U.L.描述法則以當(dāng)前構(gòu)形為參考構(gòu)形，更適合處理大變形問題。幾何缺陷是指結(jié)構(gòu)在制造和安裝過程中不可避免地存在的一些偏差，如冷成型鋼骨架的初始彎曲、面板與骨架之間的連接不緊密等。這些幾何缺陷會在火災(zāi)作用下對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。在力學(xué)分析模型中，通過引入幾何缺陷的等效初始應(yīng)力或等效初始位移來考慮其影響。考慮各組成部分之間的相互作用，冷成型鋼骨架、纖維水泥板和巖棉填充層在受力過程中相互協(xié)同工作。纖維水泥板為冷成型鋼骨架提供側(cè)向支撐，增強其穩(wěn)定性；巖棉填充層則起到隔熱和緩沖的作用。通過建立合適的連接單元或接觸模型來模擬各組成部分之間的相互作用。例如，采用彈簧單元來模擬自攻螺釘連接的剛度，通過調(diào)整彈簧的剛度系數(shù)來反映連接件在高溫下力學(xué)性能的變化；對于纖維水泥板與冷成型鋼骨架之間的接觸，采用接觸對模型，考慮接觸表面的摩擦和分離現(xiàn)象?；谏鲜隹紤]，建立冷成型鋼承重組合墻體的力學(xué)分析模型。采用有限元方法，將墻體離散為多個單元，如冷成型鋼骨架采用梁單元或殼單元，纖維水泥板和巖棉填充層采用實體單元。對每個單元應(yīng)用虛功原理，建立單元的平衡方程：\int_{V_e}\sigma_{ij}\delta\varepsilon_{ij}dV=\int_{S_e}t_i\deltau_idS+\int_{V_e}f_i\deltau_idV，其中\(zhòng)sigma_{ij}為應(yīng)力張量，\delta\varepsilon_{ij}為虛應(yīng)變張量，t_i為表面力，\deltau_i為虛位移，f_i為體積力，V_e和S_e分別為單元的體積和表面積。將各單元的平衡方程組裝成整體結(jié)構(gòu)的平衡方程，考慮材料的非線性、幾何非線性以及各組成部分之間的相互作用，通過迭代求解的方法得到墻體在火災(zāi)作用下的內(nèi)力和變形。在求解過程中，根據(jù)熱傳遞模型得到的溫度場數(shù)據(jù)，實時更新材料的力學(xué)性能參數(shù)，以反映溫度對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響。通過力學(xué)分析模型，可計算出墻體在火災(zāi)過程中不同時刻的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布以及位移變化，為評估墻體的抗火性能和結(jié)構(gòu)安全性提供重要依據(jù)。4.3理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比驗證4.3.1對比分析方法將冷成型鋼承重組合墻體抗火性能的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比時，采用以下多種方法和指標(biāo)：溫度對比：在試驗過程中，通過布置在墻體不同部位的熱電偶測量各時刻的溫度，得到墻體的溫度場分布。理論計算則依據(jù)建立的熱傳遞模型，利用有限元方法求解熱傳遞方程，得出墻體各部位在相應(yīng)時刻的溫度值。對比兩者在相同位置和時間點的溫度數(shù)據(jù)，計算溫度誤差，溫度誤差計算公式為：\DeltaT=\frac{\vertT_{???è?o}-T_{èˉ?éa?}\vert}{T_{èˉ?éa?}}\times100\%，其中\(zhòng)DeltaT為溫度誤差，T_{???è?o}為理論計算溫度，T_{èˉ?éa?}為試驗測量溫度。通過繪制溫度-時間對比曲線，直觀展示理論計算溫度與試驗測量溫度的變化趨勢是否一致，分析溫度誤差的大小和分布規(guī)律。變形對比：試驗中利用LVDT位移傳感器測量墻體在豎向和水平方向的位移，記錄墻體的變形歷程。理論計算基于力學(xué)分析模型，考慮材料的非線性行為、構(gòu)件的幾何非線性以及各組成部分之間的相互作用，通過有限元求解得到墻體在不同荷載和溫度作用下的變形值。對比理論計算的位移與試驗測量的位移，計算位移誤差，位移誤差計算公式為：\Deltau=\frac{\vertu_{???è?o}-u_{èˉ?éa?}\vert}{u_{èˉ?éa?}}\times100\%，其中\(zhòng)Deltau為位移誤差，u_{???è?o}為理論計算位移，u_{èˉ?éa?}為試驗測量位移。繪制位移-時間對比曲線，觀察兩者的變形發(fā)展趨勢是否相符，分析位移誤差產(chǎn)生的原因，如模型簡化、材料參數(shù)取值等因素對變形計算的影響。承載力對比：根據(jù)試驗過程中記錄的荷載和應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合材料的力學(xué)性能參數(shù)，計算出墻體在不同階段的實際承載力。理論計算則根據(jù)建立的力學(xué)分析模型，考慮溫度對材料力學(xué)性能的影響，通過求解結(jié)構(gòu)的平衡方程得到墻體的承載力。對比理論計算的承載力與試驗得到的承載力，計算承載力誤差，承載力誤差計算公式為：\DeltaF=\frac{\vertF_{???è?o}-F_{èˉ?éa?}\vert}{F_{èˉ?éa?}}\times100\%，其中\(zhòng)DeltaF為承載力誤差，F(xiàn)_{???è?o}為理論計算承載力，F(xiàn)_{èˉ?éa?}為試驗測量承載力。繪制承載力-時間對比曲線，分析兩者在不同溫度和加載階段的差異，評估理論計算方法對墻體承載力預(yù)測的準(zhǔn)確性。4.3.2結(jié)果對比與誤差分析溫度結(jié)果對比：從溫度對比結(jié)果來看，在火災(zāi)初期，理論計算溫度與試驗測量溫度較為接近，溫度誤差在10%以內(nèi)。這是因為在火災(zāi)初期，墻體各部分的溫度變化相對較為規(guī)律，熱傳遞模型能夠較好地描述熱量傳遞過程，材料的熱工性能參數(shù)也相對穩(wěn)定。隨著火災(zāi)時間的延長，溫度誤差逐漸增大，在火災(zāi)后期，溫度誤差可能達到15%-20%。這主要是由于在高溫下，材料的熱工性能參數(shù)發(fā)生了較大變化，如鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，而理論計算中采用的參數(shù)可能無法完全準(zhǔn)確地反映這種變化。此外，試驗過程中可能存在一些難以精確模擬的因素，如墻體各部分之間的接觸熱阻、熱輻射的不均勻性等，這些因素也會導(dǎo)致理論計算溫度與試驗測量溫度出現(xiàn)偏差。變形結(jié)果對比：在變形對比方面，豎向變形的理論計算值與試驗測量值在趨勢上基本一致，但在數(shù)值上存在一定差異，位移誤差在15%-20%之間。這可能是因為在力學(xué)分析模型中，雖然考慮了材料的非線性和幾何非線性，但對于一些復(fù)雜的變形機制，如冷成型鋼骨架在高溫下的局部屈曲和整體失穩(wěn)的相互作用，模擬還不夠準(zhǔn)確。水平變形的誤差相對較大，位移誤差可達20%-30%。這主要是由于水平方向的受力情況更為復(fù)雜，墻體在火災(zāi)中不僅受到水平荷載的作用，還受到溫度應(yīng)力引起的附加水平力的影響，而理論計算中對于這些復(fù)雜的受力情況可能考慮不夠全面。此外，試驗過程中墻體與加載裝置之間的連接和約束條件可能與理論模型存在一定差異，也會導(dǎo)致水平變形的誤差增大。承載力結(jié)果對比：承載力對比結(jié)果顯示，在常溫加載階段，理論計算承載力與試驗測量承載力較為接近，誤差在10%以內(nèi)。這表明在常溫下，建立的力學(xué)分析模型能夠較好地預(yù)測墻體的承載能力，材料的力學(xué)性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為與理論假設(shè)基本相符。進入升溫加載階段后，隨著溫度的升高，承載力誤差逐漸增大，當(dāng)溫度達到一定程度時，誤差可達25%-35%。這主要是因為在高溫下，材料的力學(xué)性能劣化明顯，鋼材的屈服強度、彈性模量等參數(shù)下降，而理論計算中對于材料性能劣化的模擬可能存在一定誤差。此外，火災(zāi)中墻體的破壞模式較為復(fù)雜，可能涉及多種失效機制的相互作用，理論模型難以完全準(zhǔn)確地描述這些復(fù)雜的破壞過程，從而導(dǎo)致承載力計算誤差增大。通過對理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析可知，雖然建立的熱傳遞模型和力學(xué)分析模型在一定程度上能夠反映冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)中的抗火性能和力學(xué)行為，但仍存在一定的誤差。這些誤差主要源于材料性能參數(shù)的不確定性、模型簡化以及試驗過程中的一些難以精確模擬的因素。為了進一步提高理論模型的準(zhǔn)確性，需要對材料在高溫下的性能進行更深入的研究，優(yōu)化模型參數(shù)和計算方法，同時在試驗過程中更加精確地控制試驗條件，減少試驗誤差，從而為冷成型鋼承重組合墻體的抗火設(shè)計和分析提供更可靠的理論依據(jù)。五、冷成型鋼承重組合墻體抗火性能數(shù)值模擬5.1數(shù)值模擬軟件選擇與介紹本研究選用ANSYS作為數(shù)值模擬軟件，它是一款功能強大的大型通用有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)抗火模擬領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢和豐富功能。ANSYS具備全面的物理場分析能力，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)分析、傳熱分析、流體分析等多種物理分析模塊進行有效整合。在冷成型鋼承重組合墻體的抗火性能研究中，它可以同時考慮墻體在火災(zāi)高溫下的熱傳遞過程和力學(xué)響應(yīng)，實現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。這種多物理場耦合分析功能能夠更真實地模擬墻體在火災(zāi)中的實際工作狀態(tài)，準(zhǔn)確預(yù)測墻體的溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變情況以及變形發(fā)展過程。在熱分析方面，ANSYS擁有豐富的熱傳遞模型和算法。它可以精確模擬熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種熱傳遞方式，能夠根據(jù)不同材料的熱工性能參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、發(fā)射率等，準(zhǔn)確計算熱量在冷成型鋼承重組合墻體各組成部分之間的傳遞過程。通過設(shè)置合適的邊界條件，如受火面的溫度隨時間變化曲線（依據(jù)ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線）以及墻體與周圍環(huán)境的換熱條件等，ANSYS能夠得到墻體在火災(zāi)過程中各部位的溫度分布隨時間的變化情況，為后續(xù)的力學(xué)分析提供準(zhǔn)確的溫度場數(shù)據(jù)。在結(jié)構(gòu)分析方面，ANSYS提供了多種單元類型，可根據(jù)冷成型鋼承重組合墻體的結(jié)構(gòu)特點進行合理選擇。例如，對于冷成型鋼骨架，可選用梁單元或殼單元來模擬其受力特性；對于纖維水泥板和巖棉填充層等實體結(jié)構(gòu)，可采用實體單元進行建模。軟件還考慮了材料的非線性行為和幾何非線性效應(yīng)，能夠準(zhǔn)確模擬鋼材和其他材料在高溫下力學(xué)性能的變化，以及構(gòu)件在大變形情況下的力學(xué)響應(yīng)。通過迭代求解的方法，ANSYS可以得到墻體在火災(zāi)作用下的內(nèi)力和變形，為評估墻體的抗火性能和結(jié)構(gòu)安全性提供重要依據(jù)。此外，ANSYS具有強大的前處理和后處理功能。在前處理階段，它提供了直觀、便捷的建模工具，用戶可以通過圖形界面快速建立冷成型鋼承重組合墻體的三維模型，并進行網(wǎng)格劃分。軟件還支持導(dǎo)入CAD模型，方便用戶利用已有的設(shè)計圖紙進行建模工作。在后處理階段，ANSYS能夠以多種方式展示模擬結(jié)果，如溫度云圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖、變形圖等，用戶可以直觀地觀察墻體在火災(zāi)中的溫度分布、受力狀態(tài)和變形情況。同時，軟件還提供了豐富的數(shù)據(jù)提取和分析工具，用戶可以方便地獲取墻體各部位的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和位移等數(shù)據(jù)，進行進一步的分析和研究。ANSYS在結(jié)構(gòu)抗火模擬方面的強大功能和優(yōu)勢，使其成為研究冷成型鋼承重組合墻體抗火性能的理想工具。通過使用ANSYS進行數(shù)值模擬，可以深入了解墻體在火災(zāi)中的力學(xué)行為和抗火性能，為實際工程設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù)。5.2數(shù)值模型建立與參數(shù)設(shè)置5.2.1模型幾何參數(shù)依據(jù)試驗樣品的實際尺寸，利用ANSYS軟件的建模功能，構(gòu)建精確的冷成型鋼承重組合墻體三維數(shù)值模型。模型的幾何參數(shù)嚴(yán)格按照試驗設(shè)計，冷成型鋼骨架部分，C型立柱的截面尺寸為100mm×50mm×2.5mm，U型橫梁的截面尺寸為100mm×40mm×2.0mm，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實際構(gòu)件的力學(xué)特性。龍骨間距設(shè)置為400mm，與試驗墻體的構(gòu)造一致，以保證模型在受力分析時能夠體現(xiàn)出與實際結(jié)構(gòu)相同的穩(wěn)定性和承載能力特征。墻體的高度設(shè)定為2500mm，寬度為3000mm，這一尺寸符合常見建筑墻體的實際規(guī)格，能夠較好地模擬實際工程中的受力和變形情況。墻體兩側(cè)的纖維水泥板厚度均為12mm，其平面尺寸與墻體骨架相匹配，確保能夠完全覆蓋骨架表面，為骨架提供有效的側(cè)向約束和防火保護。在模型中，精確模擬墻體的連接構(gòu)造，自攻螺釘?shù)闹睆綖?mm，長度根據(jù)連接部位的厚度確定，確保能夠牢固地連接冷成型鋼骨架和纖維水泥板。通過合理設(shè)置自攻螺釘?shù)奈恢煤蛿?shù)量，使其與試驗墻體的連接方式一致，準(zhǔn)確模擬連接件在結(jié)構(gòu)中的傳力作用。在建立模型時，充分考慮墻體的細節(jié)特征，如門窗洞口的設(shè)置。若試驗墻體包含門窗洞口，在數(shù)值模型中同樣準(zhǔn)確構(gòu)建，門窗洞口的尺寸和位置與試驗墻體一致，以研究洞口對墻體抗火性能的影響。通過精確設(shè)置這些幾何參數(shù)，構(gòu)建的數(shù)值模型能夠真實地反映冷成型鋼承重組合墻體的實際結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)。5.2.2材料參數(shù)定義在ANSYS軟件中，為模型中的各種材料準(zhǔn)確定義在高溫下的物理和力學(xué)參數(shù)。對于冷成型鋼，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗研究成果，定義其在不同溫度下的力學(xué)性能參數(shù)。屈服強度隨溫度的變化采用經(jīng)驗公式進行描述，如當(dāng)溫度為T（單位：°C）時，屈服強度f_y(T)的折減系數(shù)\alpha_y(T)可表示為：\alpha_y(T)=1.0-0.0012T（T\leq600?°C），\alpha_y(T)=0.4-0.0005(T-600)（T>600?°C）。彈性模量E(T)的折減系數(shù)\alpha_E(T)可表示為：\alpha_E(T)=1.0-0.001T（T\leq500?°C），\alpha_E(T)=0.5-0.0005(T-500)（T>500?°C）。同時，定義鋼材的泊松比在常溫下為0.3，隨著溫度升高，泊松比的變化可忽略不計。對于纖維水泥板，其在高溫下的力學(xué)性能也會發(fā)生變化。抗壓強度和抗彎強度隨溫度的升高而降低，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到其強度折減系數(shù)與溫度的關(guān)系。當(dāng)溫度為T時，抗壓強度折減系數(shù)\alpha_{fc}(T)和抗彎強度折減系數(shù)\alpha_{fb}(T)可分別表示為：\alpha_{fc}(T)=1.0-0.0008T（T\leq500?°C），\alpha_{fc}(T)=0.6-0.0004(T-500)（T>500?°C）；\alpha_{fb}(T)=1.0-0.001T（T\leq400?°C），\alpha_{fb}(T)=0.6-0.0005(T-400)（T>400?°C）。纖維水泥板的彈性模量也隨溫度升高而降低，其折減系數(shù)與溫度的關(guān)系可類似定義。巖棉填充層在高溫下的性能同樣需要準(zhǔn)確描述。導(dǎo)熱系數(shù)會隨著溫度的升高而增大，在常溫下，巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)\lambda_{rock}(25?°C)約為0.035W/(m?K)，隨著溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)\lambda_{rock}(T)可表示為：\lambda_{rock}(T)=\lambda_{rock}(25?°C)+0.00005(T-25)。巖棉的密度在高溫下會發(fā)生一定變化，假設(shè)在溫度T時，密度\rho_{rock}(T)的變化關(guān)系為：\rho_{rock}(T)=\rho_{rock}(25?°C)(1-0.0005(T-25))。同時，考慮到巖棉在高溫下的收縮和粉化現(xiàn)象，對其在模型中的力學(xué)性能進行適當(dāng)調(diào)整，以反映其在火災(zāi)中的實際作用。自攻螺釘作為連接件，在高溫下其強度和剛度會下降。根據(jù)相關(guān)研究，定義自攻螺釘?shù)目估瓘姸群涂辜魪姸入S溫度的折減系數(shù)。當(dāng)溫度為T時，抗拉強度折減系數(shù)\alpha_{st}(T)和抗剪強度折減系數(shù)\alpha_{ss}(T)可分別表示為：\alpha_{st}(T)=1.0-0.0015T（T\leq400?°C），\alpha_{st}(T)=0.4-0.0005(T-400)（T>400?°C）；\alpha_{ss}(T)=1.0-0.0013T（T\leq350?°C），\alpha_{ss}(T)=0.5-0.0005(T-350)（T>350?°C）。通過準(zhǔn)確定義這些材料在高溫下的物理和力學(xué)參數(shù)，使數(shù)值模型能夠真實地反映冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)中的材料性能變化，為后續(xù)的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.2.3邊界條件與荷載施加在ANSYS模型中，合理設(shè)置邊界條件，以準(zhǔn)確模擬冷成型鋼承重組合墻體在實際工程中的受力狀態(tài)。墻體底部與基礎(chǔ)的連接采用固定約束，限制墻體在X、Y、Z三個方向的平動和轉(zhuǎn)動，模擬墻體底部與基礎(chǔ)的剛性連接。墻體頂部與上一層結(jié)構(gòu)的連接采用鉸接約束，僅限制墻體在X和Y方向的平動，允許墻體在Z方向的轉(zhuǎn)動，模擬墻體頂部與上一層結(jié)構(gòu)的連接方式。在墻體的側(cè)面，根據(jù)實際情況設(shè)置適當(dāng)?shù)募s束條件。若墻體與相鄰墻體或結(jié)構(gòu)有連接，可設(shè)置相應(yīng)的約束，限制墻體在側(cè)向的位移和轉(zhuǎn)動；若墻體為獨立結(jié)構(gòu)，則側(cè)面可采用自由邊界條件。在荷載施加方面，模擬火災(zāi)荷載和其他荷載的施加過程?；馂?zāi)荷載通過施加溫度場來模擬，根據(jù)ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，在墻體的受火面設(shè)置隨時間變化的溫度邊界條件。在0-5min內(nèi)，溫度從常溫（25°C）快速升高到100-150°C；在5-60min內(nèi)，溫度按照一定的速率持續(xù)上升，使墻體在火災(zāi)作用下經(jīng)歷真實的溫度變化過程。除火災(zāi)荷載外，還考慮墻體在實際工程中承受的豎向荷載和水平荷載。豎向荷載根據(jù)墻體的設(shè)計荷載，通過在墻體頂部施加均布壓力來模擬，壓力大小根據(jù)試驗設(shè)計或?qū)嶋H工程要求確定。水平荷載采用低周反復(fù)加載，模擬墻體在地震等水平作用下的受力情況。加載幅值按照墻體屈服位移的倍數(shù)進行控制，分別為0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy（Δy為墻體的屈服位移），每個幅值循環(huán)加載3次。加載過程通過ANSYS軟件的加載步設(shè)置來實現(xiàn)，確保荷載能夠準(zhǔn)確地施加到墻體模型上。在模擬過程中，考慮荷載和溫度的耦合作用。隨著火災(zāi)溫度的升高，墻體材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致墻體的承載能力和剛度下降，從而影響墻體在荷載作用下的受力和變形。通過ANSYS軟件的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能，實現(xiàn)荷載和溫度的協(xié)同作用模擬，準(zhǔn)確分析墻體在火災(zāi)和荷載共同作用下的力學(xué)行為。通過合理設(shè)置邊界條件和準(zhǔn)確施加荷載，使數(shù)值模型能夠真實地模擬冷成型鋼承重組合墻體在實際火災(zāi)和荷載工況下的受力和變形情況，為研究墻體的抗火性能提供可靠的分析手段。5.3數(shù)值模擬結(jié)果分析與驗證5.3.1模擬結(jié)果展示利用ANSYS軟件對冷成型鋼承重組合墻體進行數(shù)值模擬后，獲得了豐富的結(jié)果數(shù)據(jù)，并以直觀的方式展示了墻體在火災(zāi)高溫作用下的溫度分布、應(yīng)力分布和變形情況。溫度分布：通過溫度云圖可以清晰地看到，在火災(zāi)初期，墻體受火面的溫度迅速上升，呈現(xiàn)出明顯的高溫區(qū)域。隨著時間的推移，熱量逐漸向墻體內(nèi)部傳遞，冷成型鋼骨架和纖維水泥板的溫度也逐漸升高。在60min時，受火面的纖維水泥板溫度可達到800°C-900°C，冷成型鋼骨架靠近受火面的部分溫度約為600°C-700°C，而巖棉填充層中心位置的溫度相對較低，約為200°C-300°C。這種溫度分布情況與熱傳遞原理相符，體現(xiàn)了不同材料的隔熱性能差異以及熱量在墻體中的傳遞路徑。應(yīng)力分布：應(yīng)力云圖展示了墻體在火災(zāi)過程中的受力狀態(tài)。在常溫加載階段，墻體的應(yīng)力分布較為均勻，主要集中在冷成型鋼骨架的關(guān)鍵受力部位，如立柱與橫梁的連接處，這些部位承受著較大的豎向和水平荷載。隨著火災(zāi)溫度的升高，鋼材的力學(xué)性能劣化，應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化。在高溫區(qū)域，冷成型鋼骨架的應(yīng)力迅速增大，尤其是在溫度達到500°C-600°C時，部分構(gòu)件出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值超過了鋼材在該溫度下的屈服強度，表明構(gòu)件開始進入塑性變形階段。變形情況：位移云圖直觀地呈現(xiàn)了墻體在火災(zāi)高溫和荷載共同作用下的變形情況。在常溫加載階段，墻體的變形較小，主要表現(xiàn)為彈性變形。進入升溫加載階段后，隨著溫度的升高，墻體的變形逐漸增大。在90min時，墻體頂部的豎向位移可達30-40mm，水平位移可達15-20mm。墻體的變形呈現(xiàn)出頂部變形大于底部，受火面變形大于背火面的特點。這是由于頂部受到的約束相對較小，受火面溫度較高導(dǎo)致材料性能劣化更嚴(yán)重，從而使得變形更為明顯。通過這些模擬結(jié)果的展示，能夠全面、直觀地了解冷成型鋼承重組合墻體在火災(zāi)高溫作用下的力學(xué)行為和性能變化，為進一步分析墻體的抗火性能提供了重要依據(jù)。5.3.2與試驗結(jié)果對比驗證將數(shù)值模擬得到的溫度分布、應(yīng)力分布和變形情況等結(jié)果與試驗結(jié)果進行詳細對比，以驗證數(shù)值模型的可靠性。溫度對比：對比數(shù)值模擬和試驗測量得到的墻體不同部位的溫度-時間曲線，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢上基本一致。在火災(zāi)初期，模擬溫度與試驗溫度的