談鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)耐火性

陳萬昊 齊國(guó)強(qiáng) 李 騰

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,山東 青島 266590； 2.青島太昊工程測(cè)試有限公司，山東 青島 266590)

談鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)耐火性

陳萬昊1齊國(guó)強(qiáng)2李 騰1

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,山東 青島 266590； 2.青島太昊工程測(cè)試有限公司，山東 青島 266590)

簡(jiǎn)要介紹了鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的形式、優(yōu)勢(shì)及其抗火性能，運(yùn)用ANSYS軟件，分析了鋼管混凝土的截面溫度場(chǎng)分布，體現(xiàn)了其優(yōu)越性，并總結(jié)了常見的耐火保護(hù)方法，以供參考。

鋼—混凝土，鋼管，溫度場(chǎng)，耐火性

自人類建筑開始發(fā)展之日起，無數(shù)的自然以及人為災(zāi)害都是困擾建筑人士和廣大居民的一個(gè)重大問題。相對(duì)于自然災(zāi)害，各種由于管理不善或者粗心造成的災(zāi)害更應(yīng)引起人們足夠的重視，火災(zāi)作為一個(gè)常見的災(zāi)害，每年都會(huì)帶走無數(shù)寶貴的生命，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失?；馂?zāi)的發(fā)展過程已經(jīng)被人們所熟知。自火災(zāi)開始發(fā)生直到火災(zāi)結(jié)束的全過程大致可分為起始、旺盛、衰退三個(gè)階段。而在這一系列的過程中主要是通過第二階段火場(chǎng)的快速升溫以及火焰的蔓延對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的各種承重構(gòu)件諸如梁、柱等造成嚴(yán)重傷害甚至使承重構(gòu)件退出工作導(dǎo)致建筑物倒塌。隨著鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在建筑工程中的使用越來越普遍同時(shí)也越來越廣泛，此類結(jié)構(gòu)的防火安全問題也逐漸進(jìn)入廣大建筑行業(yè)人士的視線范圍內(nèi)。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)作為新興的一種新型的承重構(gòu)件與目前在各種建筑中廣泛使用的鋼筋混凝土構(gòu)件相比主要是添加了鋼材這種材料，使得兩種材料共同受力、相互約束進(jìn)而達(dá)到承載能力的提升。建筑人士普遍承認(rèn)混凝土構(gòu)件在加入型鋼或鋼管等材料后力學(xué)性能會(huì)得到大幅提升,由于同時(shí)具備了混凝土的抗壓性能并且有鋼管的約束作用，在相同條件下普通鋼筋混凝土已經(jīng)退出工作時(shí)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)仍舊具有相當(dāng)程度的承載力，所以受到了工程界的普遍重視和青睞,采用這種新型組合結(jié)構(gòu)的建筑不斷涌現(xiàn),技術(shù)也在不斷提升，大部分取得了良好的建筑效果和經(jīng)濟(jì)效益,其典型的截面形式主要有方形、圓形、矩形等幾種形式，如圖1所示。目前,有些學(xué)者在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也在不斷創(chuàng)新，不但開始對(duì)中空夾層鋼管混凝土(主要是在同心放置的內(nèi)外兩層鋼管之間澆灌混凝土進(jìn)而形成的構(gòu)件)開始研究,還對(duì)雙層實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件(與中空夾層鋼管混凝土鋼管相比沒有中空部分，中心有核心混凝土)進(jìn)行研究，使得鋼—混凝土結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展?，F(xiàn)今建筑行業(yè)對(duì)于承重能力好，抗火性能高的建筑材料和構(gòu)件的追求從未停止過，而這種新形式的組合構(gòu)件的出現(xiàn)同時(shí)具備了承重能力好、自重輕、耐火性更加優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。除此之外,鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的組合形式更加靈活多樣，例如在其中加入型鋼就變成了型鋼混凝土柱或者型鋼混凝土梁，外加鋼管就變成了鋼管混凝土柱等?，F(xiàn)在建筑行業(yè)主要是使用在混凝土中配置型鋼(如工字鋼、鋼管等)、鋼筋等經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展并且技術(shù)較為熟練的方式,利用這種方法做出的梁或柱的受力性能相較于鋼和混凝土兩種材料的簡(jiǎn)單疊加同樣有較大優(yōu)勢(shì)。

作為一種由多種材料組成的構(gòu)件，想要了解鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的受熱性能就必須對(duì)它的各個(gè)組成有一定的了解。相對(duì)而言鋼材一般是在構(gòu)件的外部，因此對(duì)于鋼材的了解必須放在第一位。普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在達(dá)到屈曲強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形,這種塑性變形十分明顯，使用肉眼就可輕易觀察和識(shí)別。多年來，經(jīng)過大多數(shù)建筑以及科研人員的研究,普通鋼材在溫度低于600 ℃并且處于恒定荷載作用下時(shí),材料的變形過程可以考慮為不依賴于時(shí)間的過程,在這種情況下，鋼材的徐變對(duì)于構(gòu)件的影響可以包括在應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系中(圖2是高溫下某低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線)。在起始溫度為20 ℃時(shí),該低碳鋼能承受280 N/mm2左右的應(yīng)力，此時(shí)應(yīng)變約為2.0 mm;當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃的臨界溫度時(shí),應(yīng)變同樣為2.0 mm時(shí),只能承受約55 N/mm2的應(yīng)力,兩相對(duì)比差了大約5倍。由此可以看出,要使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力得到充分有效的發(fā)揮，鋼材溫度的控制就成了必須解決的問題。

其次，對(duì)于混凝土這種材料而言，其承受豎向荷載的能力相對(duì)較強(qiáng)而抗拉效果卻非常之差，因此一般構(gòu)件都將混凝土作為承重構(gòu)件。在火災(zāi)作用下的混凝土在溫度達(dá)到400 ℃以上時(shí)由于溫度的原因其力學(xué)性能會(huì)嚴(yán)重惡化。并且當(dāng)構(gòu)件受火時(shí)受火截面溫度隨周圍環(huán)境溫度變化迅速升高，但由于混凝土是一種熱惰性的材料，其內(nèi)部溫度增長(zhǎng)則會(huì)相對(duì)緩慢一些，其結(jié)果就是在截面上形成不均勻溫度場(chǎng)，并且溫度梯度的變化也不均勻，進(jìn)而使截面應(yīng)力重分布。以上這些變化都會(huì)使結(jié)構(gòu)的安全性大打折扣，當(dāng)情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)失效進(jìn)而造成各種安全事故。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)具有很多形式，在本文中主要是選擇了鋼管混凝土柱作為代表進(jìn)行了火災(zāi)下截面溫度場(chǎng)的分析?，F(xiàn)在以含鋼率均為0.1的兩種鋼管混凝土按照ISO 834升溫曲線施加溫度并分析其截面溫度場(chǎng)分布，借以對(duì)比兩者的性能差異。兩試件尺寸分別為300×17與300×5+200×3。在使用ANSYS軟件分析時(shí)，根據(jù)我國(guó)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》的規(guī)定,將火焰的溫度變化過程按照ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行設(shè)計(jì),其表達(dá)式為:

Tg-T0=345lg(8t+1)。

其中,Tg為火場(chǎng)溫度；T0為環(huán)境初始溫度;t為升溫時(shí)間，min。圖3是兩種鋼管混凝土在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下經(jīng)過2 h后的截面溫度場(chǎng)分布，并給出了兩種鋼管混凝土柱處于相同位置的節(jié)點(diǎn)上的升溫曲線(基本位于內(nèi)層鋼管處)(見圖4)。

由圖3中兩種截面溫度場(chǎng)分布圖可以看出，最外層鋼管由于直接與火焰接觸所以溫度上幾乎沒有差別。但可以明顯的看出溫度變化上雙鋼管混凝土升溫較為緩和且比單層鋼管混凝土溫度低。由鋼管截面溫度場(chǎng)分布可以看出，雙鋼管混凝土最低溫度出現(xiàn)在核心混凝土的中心，約為264 ℃，相對(duì)而言單層鋼管混凝土最低溫度雖然同樣處于核心混凝土的中心卻達(dá)到了306 ℃。從圖中也看出截面溫度場(chǎng)每個(gè)溫度階梯上雙鋼管混凝土相對(duì)于單層鋼管混凝土都要低一些。由升溫曲線可以了解到單層鋼管混凝土最終溫度約為680 ℃而雙層鋼管混凝土約為580 ℃。相差較為明顯且由于內(nèi)層鋼管的出現(xiàn)，不僅影響混凝土內(nèi)部的溫度分布，也對(duì)混凝土起到了約束作用，不僅增加了鋼管混凝土柱的火災(zāi)作用下所能承受荷載的能力，同時(shí)也使得其力學(xué)性能更加優(yōu)秀。

但是僅僅了解并不能夠解決鋼管混凝土耐火性的問題，雙鋼管混凝土柱相對(duì)于單層或鋼筋混凝土的高成本也是不可忽視的問題。因此出現(xiàn)了各種關(guān)于構(gòu)建耐火保護(hù)的方法，以下是比較常見的方法：

1)隔熱法。這種方法顧名思義就是使用耐火性能好的材料如GF防火板等其他輕質(zhì)的防火板材將構(gòu)件在發(fā)生火災(zāi)時(shí)容易暴露在火焰下直接受熱的部分進(jìn)行包裹或者維護(hù)。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是取材方便而且對(duì)施工技術(shù)要求不高，容易施工，價(jià)格較低，但由于增加了外部附加材料會(huì)比較笨重。

2)阻熱法。此種方法主要是通過在構(gòu)建外表面加載附加構(gòu)件，如在結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)計(jì)并且設(shè)置進(jìn)行噴淋的供水網(wǎng)絡(luò)，或者是直接使用熱惰性的材料如使用現(xiàn)澆的混凝土、耐火性能穩(wěn)定的防火建筑材料將容易在火災(zāi)作用下受熱并產(chǎn)生損傷的承重構(gòu)件或重要部分直接完全封閉，從而達(dá)到降低火災(zāi)產(chǎn)生的熱量向構(gòu)件傳輸?shù)乃俾?，甚至將火?zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的熱傳遞直接隔斷，進(jìn)而使構(gòu)件溫度的提升速度減慢或者保持在一個(gè)可以接受的范圍，構(gòu)件的溫度在要求規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不超過臨界溫度，自然不會(huì)發(fā)生破壞。位于美國(guó)的紐約賓館就采用的這種方法，效果良好。

3)導(dǎo)熱法。也就是傳統(tǒng)中的疏導(dǎo)法。這種方法比較生僻而且可選的方式單一，現(xiàn)今就只有充水保護(hù)這一種方法。且主要用于承重柱的防火，這種方法需要在柱子的外部加載附加組件用于注水，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)附加在構(gòu)件上的組件會(huì)把吸收的熱量首先傳給水，此種方法主要是靠水的蒸發(fā)帶走本應(yīng)傳遞給柱子的熱量，使得柱子的受火表面溫度始終保持在一個(gè)較低的水平。這種方法既可以將單獨(dú)的一根柱子設(shè)置上附加設(shè)備也可以由多根柱子共同組合形成循環(huán)系統(tǒng)。但是這種方法也存在很多弊端，首先無論是構(gòu)件循環(huán)還是注水所花費(fèi)的時(shí)間與技術(shù)都需要進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，前期的投入會(huì)增大，在實(shí)際生產(chǎn)中不僅會(huì)很難實(shí)施，還必須定期對(duì)柱子補(bǔ)水，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，頗有些得不償失。

通過對(duì)于前面幾個(gè)圖例的分析可以清楚的表明雙鋼管混凝土柱在耐火方面比單層鋼管混凝土柱優(yōu)良，當(dāng)然也比鋼筋混凝土柱的抗火性能要高，但其復(fù)雜的施工條件與過高的成本注定了只有在大型建筑或超高層建筑中才會(huì)得以使用，高成本提供的必然是高安全，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在隨著防火技術(shù)的進(jìn)步，防火涂料等的不斷更新而走進(jìn)新的時(shí)代。隨著當(dāng)今科技的進(jìn)步，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)將會(huì)越來越多的出現(xiàn)并快速發(fā)展，最終成為建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要部分。

[1] Lie T T. Fire resistance of circular steel columns filled with bar reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(5):1489-1509.

[2] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] ISO 834，F(xiàn)ire Resistance Tests Elements of Building Construction[S].

[4] 蘇榮華，梁 冰.工程結(jié)構(gòu)分析ANSYS應(yīng)用[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2012.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[6] DBJ 13—51—2003，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[7] Han L.H., Tao Z.，Huang H., et al.Concrete-filled double skin steel tubular beam-columns[J].Thim-Walled Structures,2004,42(9):1329-1355.

On fire resistance of steel-concrete composite structure

Chen Wanhao1Qi Guoqiang2Li Teng1

(1.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.QingdaoTaihaoEngineeringMeasurementCo.,Ltd,Qingdao266590,China)

The paper briefly introduces the forms, advantages and fire resistance of the steel-concrete composite structure, adopts ANSYS software to analyze the section temperature field distribution of steel pipe concrete, reflects its advantages, and sums up common fire resistance protection methods, so as to provide some reference.

steel-concrete, steel pipe, temperature field, fire resistance

2014-11-20

陳萬昊(1988- )，男，在讀碩士； 齊國(guó)強(qiáng)(1989- )，男； 李 騰(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)04-0025-02

TU375

A