鋼筋混凝土柱在不同受火方式下的耐火綜述

馬穎慧　劉少杰　孫恩輝 /華北理工大學(xué)

鋼筋混凝土柱在不同受火方式下的耐火綜述

馬穎慧劉少杰孫恩輝 /華北理工大學(xué)

本文閱讀了大量的關(guān)于鋼筋混凝土柱的抗火試驗(yàn)，因此對(duì)這些成果進(jìn)行了綜述。首先，分析了在不同條件下鋼筋混凝土柱的耐火性能，例如在高溫作用時(shí)和作用后的受力性能。其次，分析了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了影響鋼筋混凝土抗火性能的影響因素，例如：（1） 溫度和受火時(shí)間；（2） 受火方式；（3） 截面尺寸；（4） 混凝土強(qiáng)度、骨料種類；（5） 軸壓比和荷載偏心距；（6）縱向配筋；（7）混凝土保護(hù)層的厚度、長細(xì)比、箍筋、柱端約束等。其后，介紹了用軟件計(jì)算鋼筋混凝土的抗火性能的方法，希望在以后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)中提供有意義的參考。

鋼筋混凝土；不同受火方式；試驗(yàn)研究；軟件實(shí)現(xiàn)

前言

在鋼筋混凝土建筑中，鋼筋混凝土柱的抗火性能對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響很大。因?yàn)殇摻罨炷林侵匾某兄貥?gòu)件，它的破壞可能導(dǎo)致建筑物局部或整體的破壞，而且結(jié)構(gòu)破壞后很難修復(fù)。所以對(duì)鋼筋混凝土柱在不同受火方式下的抗火研究非常重要。

一、試驗(yàn)研究

吳波［1］，對(duì)5根足尺的高強(qiáng)混凝土柱和2根普通的混凝土柱在不同受火方式下的破壞形態(tài)，耐火極限和軸向變形的分析，得出結(jié)論：（1） 四面受火柱的耐火極限最低，其次是三面受火，兩面受火柱的耐火極限明顯強(qiáng)于那兩種；（2）相同軸壓比的普通混凝土柱和高強(qiáng)混凝土柱在相同受火方式的情況下，前者的耐火極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者；（ 3） 混凝土柱在相同受火方式的情況下，在一定范圍內(nèi)軸壓比越大耐火極限越小。在實(shí)際工程中，應(yīng)充分考慮鋼筋混凝土柱的受火方式、強(qiáng)度等級(jí)和軸壓比。

呂學(xué)濤［2］，方形鋼管鋼筋混凝土柱在單面、對(duì)面、三面和四面受火的情況下，對(duì)其截面的溫度場和分布規(guī)律進(jìn)行分析。研究其側(cè)向變形和時(shí)間關(guān)系曲線。得到鋼管鋼筋混凝土柱在不同受火條件下的抗火性能的規(guī)律。分析結(jié)果為，鋼管鋼筋混凝土柱因截面材料相同、溫度應(yīng)變和應(yīng)力對(duì)稱，其在對(duì)面和四面受火的情況下，其截面溫度場雙軸對(duì)稱，與柱在常溫下的受力原理類似；鋼管鋼筋混凝土柱在單面和三面受火的情況下，其截面溫度場關(guān)于一個(gè)對(duì)稱軸對(duì)稱，從而使柱受力方式與常溫時(shí)受力不同，在受火時(shí)，柱先向受火的方向彎曲再向背火測彎曲。受火面積比非均勻的溫度變形和材料強(qiáng)度偏心對(duì)柱的抗火性能影響巨大。在一般情況下，方鋼管混凝土柱的耐火極限在單面、對(duì)面、三面、四面受火時(shí)一次減小。但是在有些情況下，（ 如長細(xì)比 λ ＜ 30） ，鋼管混凝土柱在三面受火時(shí)的耐火極限小于四面受火。對(duì)鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多加注意。

李俊華［3］，對(duì)型鋼混凝土柱的截面溫度場在不同受火條件下進(jìn)行分析，做14組單面、對(duì)面、鄰面、三面、四面抗火性能試驗(yàn)。并且對(duì)不同受火方式、荷載偏心率、火荷載比約束剛度等進(jìn)行分析，確定對(duì)型鋼混凝土柱抗火性能的影響。結(jié)果表明： 型鋼混凝土柱的溫度應(yīng)力場受受火位置和面數(shù)的影響，相同的升溫時(shí)間，隨著柱受火面數(shù)的增加截面相同位置經(jīng)歷的最高溫度依次增加；在試件同距離受火時(shí)，腹板外側(cè)溫度比翼緣略低。軸向的膨脹變形隨著火災(zāi)和荷載比的減小而逐漸增加，荷載的比越大，試件越容易從拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，并且壓縮時(shí)間越快，程度越高。定義試驗(yàn)的真實(shí)軸力與初始施加軸力的比稱為軸力變化系數(shù)，試件受火面依次遞減時(shí)，試件升溫降溫后期的軸力變化系數(shù)依此遞減，隨荷載偏心率和軸向約束剛度比增大軸力變化系數(shù)的峰值增大，隨火災(zāi)荷載比的增大軸力變化系數(shù)逐漸降低。

二、軟件的數(shù)值模擬研究

唐貴和［4］，對(duì)2 根足尺的鋼筋混凝土柱抗火試驗(yàn)分析， 分析了柱的破壞形態(tài)、軸向變形、和耐火極限在不同受火方式下的結(jié)果。編制了鋼筋混凝土柱的耐火極限在不同受火方式下的計(jì)算程序，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算程序結(jié)果一致。其結(jié)果為相鄰兩面受火、三面受火和四面受火的耐火極限依次降低。其結(jié)果在以后的抗火設(shè)計(jì)中有參考價(jià)值。

毛小勇［5］，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)很可能處于三面受火的狀態(tài)，其抗火性能與四面受火有很大差異。為了更深一步了解型鋼三面受火的耐火性能，以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，運(yùn)用ABAQUS軟件建立非線性有限元模型。對(duì)型鋼混凝土三面受火的破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與試驗(yàn)研究相吻合。利用該模型對(duì)三面受火的混凝土的荷載比和偏心率進(jìn)行分析，得出結(jié)論：偏心受壓的型鋼混凝土柱三面受火時(shí)，偏心率較小時(shí)（小于0.2），偏心率越大耐火極限越小； 偏心率較大時(shí)（大于 0.2），偏心率越大耐火極限越大。當(dāng)偏心率較小時(shí)，耐火極限受偏心率的影響較大。但是總體上來說，偏心率對(duì)耐火極限的影響不是太明顯。荷載比對(duì)型鋼混凝土柱偏心受壓時(shí)的影響比較明顯。

文獻(xiàn)［6］對(duì)30根高強(qiáng)混凝土柱的耐火試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行分析，分析了荷載比和升溫速度對(duì)其耐火性能和爆裂的影響。結(jié)果表明：升溫時(shí)混凝土的拉應(yīng)力最高達(dá)到8.69MPa，已經(jīng)能使混凝土柱產(chǎn)生爆裂，與此同時(shí)荷載比越大越容易爆裂。耐火極限降低65％僅需從0.2到0.6文獻(xiàn) 高強(qiáng)混凝土柱的高溫爆裂現(xiàn)象可以通過模擬熱-質(zhì)傳遞的有限元方法更好的模擬出來。

三、 研究熱點(diǎn)與發(fā)展方向

近年來，火災(zāi)不僅僅能奪走人的生命，而且?guī)砭薮蟮呢?cái)產(chǎn)損失，所以越來越多的人關(guān)注火災(zāi)，尤其是建筑物的火災(zāi)。對(duì)混凝土的耐火性能進(jìn)行研究，使其建筑物在火災(zāi)時(shí)仍能繼續(xù)工作，從而提高建筑物的安全性。因此，國內(nèi)和國外的許多專家和學(xué)者為了提高混凝土的抗火性能做了許多試驗(yàn)和理論分析。梁板柱是混凝土的基本組成部分，是混凝土的基本構(gòu)件。因此，它們?cè)诨馂?zāi)時(shí)和火災(zāi)后的耐火性研究是提高混凝土結(jié)構(gòu)抗火性的基礎(chǔ)。為了可以更好的研究這方面的知識(shí)，知道在火災(zāi)時(shí)這些構(gòu)件的抗火性能是前提。本文以近年來眾多學(xué)者的研究為基礎(chǔ)，對(duì)基本構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行了概述，希望能對(duì)以后的研究提供有價(jià)值的意義。

［1］吳波， 洪洲.鋼筋混凝土簡支梁的耐火極限［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)報(bào)， 2006， 34（7）：82-87.

［2］呂學(xué)濤，楊華，張素梅.非均勻火災(zāi)作用下方鋼管混凝土柱受力機(jī)理研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，03.

［3］李俊華，錢欽，章子華，鄭榮躍.非均勻受火下約束型鋼混凝土柱力學(xué)性能研究［4］.土木工程 學(xué)報(bào)，2016，04

［5］唐貴和，黃金林.不同受火方式下鋼筋混凝土柱耐火極限研究［J］.廣東土木建筑學(xué)報(bào)，2006，12.

［6］毛小勇，高偉華，李麗麗，徐悅軍.三面受火型鋼混凝土柱耐火極限試驗(yàn)研究［J］， 自然災(zāi)害學(xué) 報(bào)，2010，12.

［7］AliF，NadiaiA，ChoiS.Numericalandexperimental investigation ofthebehaviorofhigh strength concrete columnsinfire［J］.EngineeringStructures， 2010， 32 （5）：1236-1243

［8］Chung J H， C onsolazio G R， M cvayM C.Fi niteelementstress analysis ofa reinforced high-strength concrete column in severe fires［J］.Computers&Structures， 2006， 84（21）： 1338-1352.