型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究新進(jìn)展

章晴雯

【摘? 要】建筑火災(zāi)是危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全的常見災(zāi)害之一，以前通常是通過建筑設(shè)計(jì)和消防措施來考慮建筑防火的問題。而研究表明，采用不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、防火涂層設(shè)置等構(gòu)造措施對結(jié)構(gòu)的抗火性能和耐火極限影響較大，關(guān)于結(jié)構(gòu)抗火的研究成為工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，近年來與其相關(guān)的抗火研究成果豐碩。為此，論文系統(tǒng)地總結(jié)了型鋼混凝土梁、柱、節(jié)點(diǎn)和框架抗火研究新進(jìn)展，并提出需要進(jìn)一步深入研究的方向。

【Abstract】Building fire is one of the common disasters that endanger the safety of people's life and property. In the past， building fire prevention was usually considered through architectural design and fire prevention measures. The research shows that the fire resistance and fire resistance limit of the structure are greatly affected by different joint structures and fire retardant coating settings. The research on the fire resistance of the structure has become a hot issue concerned by the engineering field. Steel reinforced concrete structure is widely used. In recent years， the research on fire resistance is fruitful. Therefore， this paper systematically summarizes the new progress of fire resistance research on beams， columns， joints and frames of steel reinforced concrete structures， and puts forward the direction of further research.

【關(guān)鍵詞】型鋼混凝土;抗火性能;研究進(jìn)展;研究趨勢

【Keywords】steel reinforced concrete; fire resistance; progress of research; research trend

【中圖分類號】TU398+.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）11-0180-05

1 引言

在眾多災(zāi)種中，火災(zāi)的發(fā)生概率最大，頻率最高。國際上每年均有大量建筑物毀于火災(zāi)之中，損失嚴(yán)重。高溫后，建筑材料的力學(xué)性能會(huì)呈現(xiàn)不同程度的降低，結(jié)構(gòu)的承載能力迅速下降，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的損傷甚至嚴(yán)重破壞。建筑火災(zāi)除了造成結(jié)構(gòu)倒塌、人員傷亡之外，更多的是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)功能失效而引發(fā)間接的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，開展結(jié)構(gòu)抗火研究工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)度高、剛度大、延性好、抗震性能良好的結(jié)構(gòu)體系，廣泛應(yīng)用于各類重載結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑以及地震區(qū)的建筑物[1]。國內(nèi)外對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才開始探索研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)，特別是最近十幾年，各研究機(jī)構(gòu)對于型鋼混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)做了一些火災(zāi)試驗(yàn)和相關(guān)的理論研究。本文論述了國內(nèi)外關(guān)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的主要研究成果，提出尚需要解決的問題，有助于進(jìn)一步研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能和耐火極限。

2 型鋼混凝土梁的耐火性能研究

2.1 型鋼混凝土梁

國內(nèi)外關(guān)于型鋼混凝土梁的抗火性能研究報(bào)道較少。鄭永乾等[2]采用纖維模型法和有限元軟件ABAQUS計(jì)算分析SRC梁的耐火性能，二者的計(jì)算結(jié)果較為接近，且得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證?；诖耍捎糜?jì)算效率較高的纖維模型法分析各參數(shù)對火災(zāi)下SRC梁承載力影響系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明火災(zāi)時(shí)間和截面尺寸影響最大，最后回歸分析得到火災(zāi)下SRC梁承載力影響系數(shù)簡化計(jì)算公式和耐火極限簡化計(jì)算公式，給出了方便實(shí)用的SRC梁耐火極限表。董琳琳[3]采用ABAQUS建立了多跨連續(xù)SRC梁的火災(zāi)力學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。隨后模擬分析在不同跨受火情況下三跨連續(xù)SRC梁的溫度場分布、破壞形態(tài)和應(yīng)力分布情況。最后得到火災(zāi)下型鋼混凝土梁正截面受彎承載力計(jì)算公式。

2.2 預(yù)制裝配式型鋼混凝土梁

我國正在大力發(fā)展預(yù)制裝配式建筑，李智[4]對預(yù)制裝配式型鋼混凝土（PSRC）梁的抗火性能作了一些初步研究，利用ABAQUS建立了PSRC梁的溫度場計(jì)算模型和熱-力耦合計(jì)算模型，模型得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，比較分析了PSRC梁和SRC梁的耐火極限，認(rèn)為SRC梁的耐火性能略好，探討了疊合面摩擦系數(shù)大小對PSRC梁耐火極限的影響，計(jì)算分析了各參數(shù)對PSRC梁耐火極限的影響，指出荷載比、受火面數(shù)和型鋼截面尺寸是主要影響因素。

2.3 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁

傅傳國等[5-10]報(bào)道了14個(gè)預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁構(gòu)件的火災(zāi)試驗(yàn)情況，測得火災(zāi)作用下各試件的溫度場分布、測點(diǎn)撓度、預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力、試件端部預(yù)應(yīng)力值等重要參數(shù)。降溫之后繼續(xù)對試件加載進(jìn)行火災(zāi)后力學(xué)性能試驗(yàn)，觀察梁的破壞過程，得到各測點(diǎn)撓度、裂縫分布、梁的高溫后剩余承載力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后利用有限元軟件ABAQUS建立試件的溫度場模型、高溫下和高溫后的熱-力耦合模型，并得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推導(dǎo)出高溫作用下預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失簡化計(jì)算公式、火災(zāi)下和火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁的剛度簡化計(jì)算公式、火災(zāi)作用時(shí)預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁的正截面受彎承載力簡化計(jì)算公式和斜截面受剪承載力簡化計(jì)算公式、火災(zāi)高溫后預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁的正截面受彎承載力簡化計(jì)算公式。

3 型鋼混凝土柱的耐火性能研究

3.1 型鋼混凝土柱

陸洲導(dǎo)和徐朝暉[11，12]進(jìn)行了12個(gè)型鋼混凝土柱的抗火試驗(yàn)，采用有限單元法和有限差分法的混合解法，編制計(jì)算程序用以分析型鋼混凝土柱的溫度場分布和抗火性能。計(jì)算結(jié)果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。隨后考慮各參數(shù)對SRC柱耐火極限的影響。最后對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定火災(zāi)下SRC柱極限承載力實(shí)用計(jì)算公式。

鄭永乾等[13-15]利用有限元法計(jì)算了SRC柱的溫度場，計(jì)算結(jié)果得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，而后又利用數(shù)值方法確定了SRC柱的耐火極限，并以試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值分析方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，分析了構(gòu)件長細(xì)比、截面高寬比、截面尺寸、截面含鋼率、荷載偏心率等參數(shù)對SRC柱耐火極限的影響規(guī)律。最后對火災(zāi)下SRC柱耐火極限的計(jì)算方法進(jìn)行了簡化。

蔣東紅等[16-18]首先利用有限元方法研究了SRC柱的抗火性能，理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。在此基礎(chǔ)上，研究了型鋼含鋼率、長細(xì)比、偏心率和受火時(shí)間等參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下SRC柱的極限承載力的影響，并分別給出了SRC柱極限承載力與各參數(shù)的擬合關(guān)系式。最后給出SRC柱極限承載力簡化計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與有限元求解結(jié)果接近。

成曉娟、侯進(jìn)學(xué)、張佳[19-21]進(jìn)行了一系列型鋼混凝土軸心受壓柱、大偏心受壓柱和小偏心受壓柱的全過程火災(zāi)試驗(yàn)，研究火災(zāi)升溫段、降溫段和火災(zāi)后構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、溫度場分布規(guī)律、耐火性能、變形特征和剩余承載力等指標(biāo)，并利用ANSYS有限元軟件建立型鋼混凝土軸心受壓柱、大偏心受壓柱和小偏心受壓柱的溫度場計(jì)算模型和全過程火災(zāi)熱-力耦合模型，計(jì)算結(jié)果得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。除此之外，高偉華、李麗麗[22，23]對4個(gè)三面受火的SRC柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到其溫度場分布、耐火極限、位移-時(shí)間曲線等數(shù)據(jù)。隨后利用ABAQUS建立試件的火災(zāi)力學(xué)模型，應(yīng)用上述模型，對受拉側(cè)受火和受壓側(cè)受火2種情況下的各影響參數(shù)對SRC柱耐火極限的影響規(guī)律進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，回歸得到三面受火SRC柱的耐火極限簡化計(jì)算公式。

關(guān)于型鋼混凝土常溫下粘結(jié)滑移性能的研究已較成熟，但是高溫下和高溫后型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能的研究還很少見。邱棟梁[24]設(shè)計(jì)了高溫下18個(gè)SRC柱、高溫后18個(gè)SRC柱和3個(gè)常溫對比SRC柱，用以進(jìn)行型鋼混凝土粘結(jié)滑移推出試驗(yàn)，分析了高溫下和高溫后型鋼混凝土的粘結(jié)滑移機(jī)理，考察了升溫最高溫度等因素對粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響，建立了與溫度相關(guān)的型鋼混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。

多數(shù)情況下建筑物在火災(zāi)后還要繼續(xù)使用，研究其在火災(zāi)后的力學(xué)性能對該類建筑的加固修復(fù)和評估具有重要意義。謝福娣[25]對8個(gè)過火后的型鋼混凝土柱進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，觀察其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和裂縫開展情況，研究了軸壓比、含鋼率、受火時(shí)間等因素對滯回曲線、骨架曲線、等效粘滯阻尼系數(shù)、剛度退化規(guī)律的影響，分析了火災(zāi)后SRC柱的延性、耗能性能等抗震性能。唐躍鋒[26]制作17根型鋼混凝土柱進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，然后對其中部分試件采用外包碳纖維和外粘型鋼2種加固處理方式，隨后對試件進(jìn)行承載力試驗(yàn)，觀測試件的破壞形態(tài)，研究其荷載-變形關(guān)系曲線、極限承載力、變形剛度以及不同的加固處理方式對試件承載力的影響。利用有限元軟件MSC.MARC/MENTAT建立SRC柱的火災(zāi)力學(xué)模型，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證?；诖四Ｐ?，研究長細(xì)比、偏心率、含鋼率等因素對剩余承載力的影響，得到了火災(zāi)后SRC柱剩余承載力影響系數(shù)簡化計(jì)算公式。

3.2 型鋼混凝土異形柱

單齊云等學(xué)者[27-33]制作了9根等肢L形SRC異形柱、9根不等肢L形SRC異形柱、8根T形SRC異形柱和9根十字形SRC異形柱，進(jìn)行了一系列抗火試驗(yàn)，報(bào)道了火災(zāi)下試件的測點(diǎn)溫度、變形規(guī)律、裂縫分布規(guī)律等情況。降溫后對試件繼續(xù)進(jìn)行加載試驗(yàn)，研究各種截面類型異形柱在火災(zāi)后的變形性能、剩余承載力、型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能及抗震性能等力學(xué)性能，利用有限元軟件ANSYS和ABAQUS建立了試件的溫度場和熱-力耦合計(jì)算模型，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。通過驗(yàn)證有效的計(jì)算模型繼續(xù)研究異形柱的火災(zāi)后截面特性，并分析了各參數(shù)對火災(zāi)后SRC異形柱正截面承載力的影響。

周璇等學(xué)者[34-37]利用ABAQUS建立T形截面、軸向約束T形截面、十字形截面、軸向約束十字形截面SRC異形柱的火災(zāi)力學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。用計(jì)算模型分析了各參數(shù)對上述4種SRC異形柱耐火極限的影響。

王燦燦等學(xué)者[38-41]報(bào)道了3根L形和16根十字形SRC異形柱在高溫下的力學(xué)試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，研究溫度場分布和位移-時(shí)間曲線，考慮不同荷載比對試件軸向位移和耐火極限的影響。利用ABAQUS建立L形和十字形截面異形柱的熱-力耦合計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。對部分高溫自然冷卻后的十字形和T形SRC柱繼續(xù)加載研究其在火災(zāi)后的力學(xué)性能、抗震性能和破壞形態(tài)，分析各參數(shù)對型鋼混凝土柱剩余承載力的影響。

3.3 約束型鋼混凝土柱

Huang等[42]進(jìn)行了4個(gè)軸向約束SRC柱的抗火試驗(yàn);利用有限元軟件SAFIR和自編程序FEMFAN-3D分別建立了軸向約束SRC柱火災(zāi)力學(xué)模型;應(yīng)用上述模型分析截面尺寸和荷載比等參數(shù)對SRC柱耐火極限的影響規(guī)律。

鄭嬋嬋等[43]報(bào)道了7根型鋼混凝土軸向約束柱的抗火試驗(yàn)結(jié)果，利用ABAQUS軟件模擬計(jì)算了SRC軸向約束柱的溫度場和火災(zāi)力學(xué)性能，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證?；诖擞?jì)算模型，分析了荷載比、軸向約束鋼度比、轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比、截面尺寸、偏心率、含鋼率、混凝土強(qiáng)度、型鋼屈服強(qiáng)度、鋼筋屈服強(qiáng)度、縱筋配筋率、混凝土保護(hù)層厚度等參數(shù)對柱軸力、柱豎向位移、柱跨中彎矩、柱耐火極限、柱計(jì)算長度系數(shù)和柱彎矩增大系數(shù)的影響，最終給出SRC約束柱耐火極限的實(shí)用計(jì)算公式。

李俊華等[44]進(jìn)行了14個(gè)在四面、三面、兩面和單面不同受火方式下軸向約束SRC柱的抗火試驗(yàn)，研究不同受火方式和端部約束對柱子溫度場分布、軸力、變形等性能的影響。

4 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗火性能研究

從以往研究成果來看，不同的節(jié)點(diǎn)形式對結(jié)構(gòu)的耐火極限影響較大，所以非常有必要研究結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗火性能。

Han等[45]報(bào)道了2個(gè)SRC梁柱節(jié)點(diǎn)的抗火試驗(yàn)，并且建立了有限元分析模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)的抗火性能，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。通過理論研究發(fā)現(xiàn)梁柱線剛度比越大，節(jié)點(diǎn)的耐火性能越差。SRC梁柱節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)作用下，型鋼與混凝土間的滑移大于鋼筋與混凝土間的滑移;型鋼翼緣與混凝土間的滑移大于腹板與混凝土間的滑移;梁中型鋼與混凝土間的滑移大于柱中型鋼與混凝土間的滑移。

高志新[46]對3個(gè)SRC柱-RC梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，得到節(jié)點(diǎn)區(qū)和非節(jié)點(diǎn)區(qū)的溫度場。試件自然冷卻之后再做低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究其破壞現(xiàn)象和高溫后抗震性能。利用ABAQUS建立了SRC柱-RC梁節(jié)點(diǎn)的溫度場計(jì)算模型。

裘哲俊等[47]通過對火災(zāi)后經(jīng)過碳纖維加固和未加固2種情況的SRC梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，對比2種情況下試件的滯回曲線、骨架曲線、承載力和延性、耗能能力，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)加固可以有效提高其抗震性能。

5 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)平面框架的抗火性能研究

譚清華[48]制作了十榀SRC柱-RC梁平面框架，研究其在外荷載和全過程火災(zāi)作用的試驗(yàn)現(xiàn)象、溫度場分布、變形情況、耐火極限和剩余承載力，開發(fā)了考慮混凝土高溫爆裂、混凝土高溫徐變、瞬態(tài)熱應(yīng)變等影響的計(jì)算程序，用以模擬計(jì)算全過程火災(zāi)作用后的SRC柱-RC梁平面框架力學(xué)性能，模型得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；诖四Ｐ?，分析各參數(shù)對火災(zāi)下型鋼混凝土平面框架柱計(jì)算長度系數(shù)的影響，給出其簡化計(jì)算方法。

王廣勇等[49]利用ABAQUS建立了3層三跨型鋼混凝土平面框架火災(zāi)力學(xué)計(jì)算模型，分析其在9種火災(zāi)工況作用下的力學(xué)性能和破壞規(guī)律。 研究表明，在火災(zāi)作用下型鋼混凝土平面框架的破壞模式有內(nèi)柱破壞導(dǎo)致框架破壞、邊柱破壞導(dǎo)致框架破壞、混合破壞3種模式。同時(shí)提出對于框架結(jié)構(gòu)需注意火災(zāi)下抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)。

謝福娣和武志鑫等[50，51]進(jìn)行了SRC柱-SRC梁-RC樓板單層單跨平面框架的全過程火災(zāi)力學(xué)試驗(yàn)，探究平面框架的溫度場分布、耐火性能和火災(zāi)后力學(xué)性能。利用ABAQUS建立在外荷載和全過程火災(zāi)作用下型鋼混凝土平面框架的有限元模型，計(jì)算結(jié)果得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。利用此模型，分析了受火時(shí)間、軸壓比、梁跨中彎矩等參數(shù)對火災(zāi)后型鋼混凝土平面框架滯回曲線、骨架曲線、延性性能和耗能性能的影響。

6 結(jié)論與展望

雖然國內(nèi)外學(xué)者在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能方面已取得豐碩成果，但是有些問題還需要進(jìn)行更加深入細(xì)致的研究，形成系統(tǒng)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)實(shí)用方法。

①研究所用的升降溫曲線與實(shí)際建筑火災(zāi)升降溫曲線有一定的出入，應(yīng)考慮真實(shí)火災(zāi)特性。一般室內(nèi)空間100m2左右，而很多公共建筑空間體積較大，大空間、大跨度建筑的火災(zāi)特性研究數(shù)據(jù)匱乏。

②全過程火災(zāi)作用下建筑材料性能研究結(jié)果數(shù)據(jù)離散，有的差距較大，需要深入研究。實(shí)際結(jié)構(gòu)中建筑構(gòu)件往往不是單向受力，常常處于多向受力狀態(tài)，為準(zhǔn)確反映建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)力學(xué)性能，需研究火災(zāi)下建筑材料的多軸力學(xué)性能。目前關(guān)于混凝土和鋼材的高溫多軸力學(xué)性能研究報(bào)道極少，有待進(jìn)一步研究。

③結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)技術(shù)和裝置有待改進(jìn)，以增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

④近年來，超高層建筑不斷涌現(xiàn)，很多超高層建筑采用了承載能力更高的巨型型鋼混凝土構(gòu)件。而對于巨型型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究還是空白，建議開展相關(guān)研究。除此之外，高強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、已加固型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和火災(zāi)后型鋼凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)研究只見極少的報(bào)道，需進(jìn)一步深入研究。

⑤火災(zāi)作用下可能引起建筑物連續(xù)倒塌，造成嚴(yán)重后果，而對于火災(zāi)下結(jié)構(gòu)倒塌破壞的規(guī)律尚缺乏研究，需深入研究火災(zāi)下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌機(jī)制，為火災(zāi)作用下結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

⑥現(xiàn)行的抗火設(shè)計(jì)方法還處于對特定情況的抗火設(shè)計(jì)作出明確規(guī)定的“處方式”階段，設(shè)計(jì)方案有時(shí)偏保守有時(shí)又不安全。結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)方法基于建筑整體消防安全目標(biāo)制定解決方案，是一種先進(jìn)而更加合理的抗火設(shè)計(jì)方法，雖已取得一定成果，但仍是一個(gè)有待研究的課題。

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