0 引 言
桁架式多腔体钢板组合剪力墙是一种新型的双层钢板组合墙体，其钢结构部分在工厂预制，通过外侧双钢板与矩形钢管、内部钢筋桁架焊接而成，从而形成多个相互连通的腔体，其中钢筋桁架由两根角钢和弯折钢筋组成，如图1所示。现场施工时在空腔内浇筑混凝土。
图1 桁架式多腔体钢板组合剪力墙的钢结构部分
Fig.1 Steel structure of the double-skin multi-cavity composite wall with steel truss
桁架式多腔体钢板组合剪力墙的主要优点有：1)墙体内的钢筋桁架在对两侧钢板产生线约束的同时，又可实现墙体内部混凝土的全贯通，充分发挥钢与混凝土的协同工作性能；2)墙体内各竖向腔体之间相互连通，腔内混凝土易于浇筑、密实可靠；3)矩形钢管柱与墙体厚度相同，方便节点连接，可有效解决室内露梁、露柱问题。因此，该类墙体具有广阔的应用前景。
剪力墙作为高层建筑的抗侧力构件，同时亦可以作为防火墙，其抗火性能备受关注[1]。目前，国内外对钢筋混凝土剪力墙的抗火性能进行了系列研究，并给出了相应的抗火计算式和设计方法[2-6]。而对双层钢板组合剪力墙抗火性能的研究尚处于起步阶段。赵海波采用有限元软件ABAQUS对双层钢板组合剪力墙的抗火性能进行了数值模拟，分析了单面及双面受火下墙体的力学性能，考察不同参数对墙体耐火极限的影响，提出了耐火极限和防火保护层厚度的简化计算式[7]；丁东升针对双层钢板组合剪力墙进行了8个整体受火试验、4个单面受火试验以及3个火灾后的水平低周反复加载试验，并利用有限元软件ABAQUS对墙体的温度场以及火灾后墙体的抗震性能进行了数值模拟[8]。韦芳芳等对3榀采用不同剪力件连接(螺栓连接、栓钉连接、栓钉和剪力杆组合连接)的双层钢板组合剪力墙进行了单面受火试验，得到墙体在火灾下的温度场分布、变形及破坏模式[9]。
对于桁架式多腔体钢板组合剪力墙这一新型墙体，其抗火性能亟待研究。因此，本研究结合实际工程对2榀足尺桁架式多腔体钢板组合剪力墙试件开展单面受火试验，研究其高温下的温度场发展规律、力学响应特性和厚涂型防火涂料对该类墙体抗火性能的影响，进而为桁架式多腔体钢板组合剪力墙的抗火设计和推广应用提供参考。
1 试验设计
桁架式多腔体钢板组合剪力墙试件的编号及参数如表1所示，立面及剖面如图2所示。试件上、下各焊接1 600 mm×400 mm×20 mm的盖板，通过高强螺栓与自平衡加载反力架连接。为方便盖板的焊接，在试件两端贴上150 mm×8 mm的通长加劲板，并沿四周布置加劲肋。试件钢材材质为Q235，混凝土强度等级为C25。
表1 试件参数
Table 1 Test parameters of specimens
试件编号墙高/mm墙宽/mm墙厚/mm轴压比厚型防火涂料厚度a/mmSCW-1300015001500.50SCW-2300015001500.520
a—立面；b—A—A剖面；c—试件SCW-1截面；d—试件SCW-2截面。
图2 试件详细构造
Fig.2 Details of specimens
试验在东南大学火灾实验室水平抗火试验炉上进行，采用液压千斤顶施加轴向压力。通过拉线式位移计来测量轴向位移和平面外位移，如图3所示。利用K型热电偶测量试件和炉腔温度。试验开始后，先对墙体施加轴向荷载，稳定15 min后，再开始点火，试验过程中通过实时调整油泵保持荷载恒定。
a—平面外位移；b—轴向位移。
图3 位移计布置
Fig.3 Arrangement of displacement meters
根据GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法》[10]，本试验中耐火极限的判定条件为：1)承载能力。轴向压缩变形量超过30 mm，或者轴向压缩变形速率超过9 mm/min。2)隔热性。背火面的平均温度超过初始温度140 ℃。达到上述条件之一视为达到耐火极限状态。
2 试验现象
2.1 试件SCW-1
当试验升温5 min时，试件背火面开始有水蒸气冒出，并有水流出，随后蒸汽和水越来越多(图4a)；当升温约15 min时，墙体开始膨胀；当升温60 min时，试件背火面出现大量水蒸气，背火面钢板上积水较多；当升温约95 min时，背火面钢板的平均温度达到174 ℃，超过初始温度140 ℃(试验时室温为34 ℃)，丧失隔热性，试件达到耐火极限；当升温120 min时，背火面只冒出少量水蒸气，水迹也基本上消失(图4b)；当升温180 min时，背火面钢板平均温度达到248 ℃，试件明显弯向背火面(图4c)，此时试件依然能够承受施加的轴向荷载，停止升温，试验结束。
a—升温5 min；b—升温120 min；c—升温180 min。
图4 SCW-1试验现象
Fig.4 Experiment phenomena of SCW-1
2.2 试件SCW-2
当试验升温5 min时，试件背火面无明显现象(图5a)；当试验升温50 min时，试件背火面开始有少量水蒸气冒出，并有水流出(图5b)；当升温120 min时，背火面仍然有水蒸气冒出，混凝土出水较多；当升温180 min时，背火面的平均温度约为72 ℃，试件还能够承受预定的轴向荷载(图5c)；继续升温至190 min时，试件无明显变化，停止升温，试验结束。
a—升温5 min；b—升温50 min；c—升温180 min。
图5 SCW-2试验现象
Fig.5 Experiment phenomena of SCW-2
3 试验结果及分析
3.1 变形特征
待试验炉的炉温降至常温，取出试件。两榀桁架式多腔体钢板组合剪力墙试件的变形情况见图6和图7。由图6可知，无防火保护的试件SCW-1呈现整体弯向背火面的挠曲变形；有防火保护的试件SCW-2整体上没有明显挠曲现象。
a—SCW-1；b—SCW-2。
图6 试件整体变形
Fig.6 Overall deformations of specimens
试件SCW-1的受火面钢板发生鼓曲，鼓曲沿墙高方向贯通，鼓曲宽度与钢筋桁架间距大致相同(图7a)；由于高温作用，受火面钢板有一层薄薄的氧化层，呈现为黑灰色，用手一剥即脱落；试件侧面钢管上也有局部屈曲的现象，而背火面钢板无明显鼓曲出现(图7b)。
试件SCW-2的防火涂层发生开裂、剥落，受火面钢板无明显鼓曲现象(图7c)，试件侧面以及背火面的防火涂层仍然完好无损(图7d)。
3.2 温度-时间曲线
炉温及各试件测点的温度-时间曲线见图8。图中，d1～d5分别代表距受火面的距离为0，37.5，75，112.5，150 mm的温度测点。由图8a可知，两个试件的实际炉温-时间曲线与ISO-834标准升温曲线符合良好。
由图8b、8c可以看出：距受火面越近，测点温度越高；无防火保护的试件SCW-1受火面钢板的温度上升先快后缓，与炉温的升温规律相似；而背火面钢板温度上升平缓，总体温度较低。内部混凝土形成沿墙厚方向不均匀分布的温度场；采用厚涂型防火涂料保护的试件SCW-2，随着升温时间的增加，测点温度上升缓慢；同样受火180 min，试件SCW-2受火面钢板的温度只有约300 ℃，比无防火保护的试件SCW-1降低了600 ℃左右；试件SCW-2背火面的温度只有约70 ℃，比无防火保护的试件SCW-1降低了150 ℃左右。
a—SCW-1受火面；b—SCW-1背火面；c—SCW-2受火面；d—SCW-2背火面。
图7 试件受火面及背火面变形
Fig.7 Deformations on exposed and unexposed sides of specimens
a—炉温；b—试件SCW-1；c—试件SCW-2。
图8 温度-时间曲线
Fig.8 Temperature-time curves
3.3 位移-时间曲线
两个试件的轴向和平面外位移-时间曲线如图9所示。图中，轴向位移以压缩为负，平面外位移以向背火面挠曲为负。
a—轴向位移-时间曲线；b—平面外位移-时间曲线。
图9 位移-时间曲线
Fig.9 Displacement-time curves
由图9a可知：在升温初期，温度升高引起膨胀变形，试件SCW-1轴向位移先表现为伸长；随着升温时间的增加，受火面温度进一步升高，高温下受火面钢板和混凝土的力学性能降低，当轴压作用下压缩变形大于温度膨胀变形时，轴向伸长变形开始降低，直至降为0，然后慢慢开始呈现压缩变形。试件SCW-2在升温全过程均为由于升温而膨胀伸长，这主要是因为其内部温度较低，材性未发生劣化。
由图9b可以看出：试件SCW-1先向受火面挠曲，这主要是因为在升温初期，受火面的温度远高于背火面的温度，使得受火面的膨胀变形大于背火面；随着升温时间的增加，靠近受火面的钢材和混凝土在高温下材料性能劣化，试件逐渐由受火面挠曲转向背火面挠曲。试件SCW-2在升温全过程，整体温度较低，受火面的膨胀变形大于背火面，因而试件向受火面挠曲。
3.4 耐火极限
各试件的耐火极限如表2所示。试件SCW-1因失去隔热性而达到耐火极限，而采用厚涂型防火涂料保护的试件SCW-2，其隔热性和承载能力均能满足GB/T 9978.1—2008要求，其耐火极限可达180 min以上；根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[11]，试件SCW-1只能达到四级耐火等级的要求；而有防火保护的试件SCW-2能达到一级耐火等级的要求。
表2 试件的耐火极限
Table 2 Fire resistance limits of specimens
试件编号升温时间/min承载力是否失效隔热性是否失效耐火极限/minSCW-1180否是95SCW-2190否否≥190
4 结束语
通过对两榀桁架式多腔体钢板组合剪力墙的抗火性能开展的单面受火试验研究，得到主要结论如下：
1)防火涂料厚度对试件耐火极限影响显著；无防火保护的试件因丧失隔热性而达到耐火极限，而采用厚涂型防火涂料保护的试件，其耐火极限可达180 min以上，比无防火保护的试件提高至少1倍。
2)无防火保护的试件变形特征为整体向背火面挠曲，伴随着受火面钢板的局部鼓曲，试件背火面钢板无明显鼓曲；采用厚涂型防火涂料保护的试件整体上无明显变形，受火面的防火涂层出现开裂和剥落现象。
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