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

【摘 要】本文閱讀了大量的關(guān)于鋼筋混凝土柱的抗火試驗，因此對這些成果進(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，例如在高溫作用時和作用后的受力性能。其次，分析了大量試驗數(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） 溫度和受火時間；（2） 受火方式；（3） 截面尺寸；（4） 混凝土強度、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)抗火試驗中提供有意義的參考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；不同受火方式；試驗研究；軟件實現(xiàn)

前言

在鋼筋混凝土建筑中，鋼筋混凝土柱的抗火性能對結(jié)構(gòu)的安全性影響很大。因為鋼筋混凝土柱是重要的承重構(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、試驗研究

吳波[1] ，對5根足尺的高強混凝土柱和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于那兩種；（2）相同軸壓比的普通混凝土柱和高強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。在實際工程中，應(yīng)充分考慮鋼筋混凝土柱的受火方式、強度等級和軸壓比。

呂學(xué)濤[2] ，方形鋼管鋼筋混凝土柱在單面、對面、三面和四面受火的情況下，對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)力對稱，其在對面和四面受火的情況下，其截面溫度場雙軸對稱，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)于一個對稱軸對稱，從而使柱受力方式與常溫時受力不同，在受火時，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度偏心對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、對面、三面、四面受火時一次減小。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的耐火極限小于四面受火。對鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計時應(yīng)多加注意。

李俊華[3] ，對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、對面、鄰面、三面、四面抗火性能試驗。并且對不同受火方式、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，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)，并且壓縮時間越快，程度越高。定義試驗的真實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，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2 根足尺的鋼筋混凝土柱抗火試驗分析， 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算程序，試驗結(jié)果與計算程序結(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)計中有參考價值。

毛小勇[5] ，在火災(zāi)發(fā)生時，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，以試驗研究為基礎(chǔ)，運用ABAQUS軟件建立非線性有限元模型。對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)果與試驗研究相吻合。利用該模型對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，偏心率較小時（小于0.2），偏心率越大耐火極限越小； 偏心率較大時（大于 0. 2），偏心率越大耐火極限越大。當(dāng)偏心率較小時，耐火極限受偏心率的影響較大。但是總體上來說，偏心率對耐火極限的影響不是太明顯。荷載比對型鋼混凝土柱偏心受壓時的影響比較明顯。

文獻(xiàn)[6]對30根高強混凝土柱的耐火試驗和數(shù)值模擬進(jìn)行分析，分析了荷載比和升溫速度對其耐火性能和爆裂的影響。結(jié)果表明：升溫時混凝土的拉應(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)砭薮蟮呢敭a(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)。對混凝土的耐火性能進(jìn)行研究，使其建筑物在火災(zāi)時仍能繼續(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，它們在火災(zāi)時和火災(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，知道在火災(zāi)時這些構(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)，對基本構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行了概述，希望能對以后的研究提供有價值的意義。

參考文獻(xiàn)：

[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：自然科學(xué)報， 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理研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，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，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，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研究[J]， 自然災(zāi)害學(xué) 報，2010，12.

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

[8]Chung J H， Consolazio G R， McvayM C. Finiteelementstress analysis ofa reinforced high-strength concrete column in severe fires[J]. Computers&Structures;， 2006， 84（21）： 1338-1352.