钢管混凝土柱抗火性能研究综述

【前言】钢管混凝土柱抗火性能研究综述由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的柱，其工作实质在于钢管及其核心混凝土之间的相互作用和协同互补，也正是由于这种相互作用使这种结构具有较好的耐火性能。 1、国外的抗火试验研究 目前为止，国外关于火灾下钢管混凝土柱抗火性能试验研究较多， 主要研究试...

【摘 要】钢管混凝土柱抗火性能研究是当前的研究热点之一，国内外学者对此展开大量试验研究和理论分析。该文简要介绍国内外研究者对钢管混凝土柱的抗火性能方面研究概况，分析了我国现有防火设计规范的特点以及工程应用情况，指出现有研究的不足，对钢管混凝土柱抗火研究领域在高温材料热-力耦合本构关系、计算理论、数值火灾试验和设计方法等方面需进一步研究的工作进行了展望。文中指出，建立考虑升降温、多轴应力状态、不同加卸载路径的钢材和混凝土热-力耦合本构关系，建立基于整体性能、考虑升降温全过程的结构抗火分析理论，提出“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估原则是钢管混凝土柱抗火性能研究的关键科学问题。

【关键词】钢管混凝土柱；抗火性能；耐火极限；抗火设计

火灾是人们日常生活中常遇的自然或人为灾害之一，火灾发生频率高，火势发展迅速，给人们的生命财产安全带来巨大威胁。如2001年9月11日，美国纽约世界贸易中心两栋大楼受到恐怖组织的袭击，“9·11事件”使美国损失民航飞机4架、世贸双子塔楼和五角大楼一角；伤亡3465人；估计带给美国的直接损失为255亿美元，而间接损失高达2000亿美元， 2003年11月3日，湖南衡阳发生特大火灾，衡州大厦3000多平方米建筑整体倒塌， 20名消防官兵身亡。

钢管混凝土柱是一种性能十分优异的组合结构形式，由于其在结构体系中的重要性以及在实际工程中应用的广泛性，研究其抗火性能具有重要的现实意义。为此，本文对钢管混凝土柱的抗火性能研究现状进行总结。

一、国内外钢管混凝土柱抗火研究

钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的柱，其工作实质在于钢管及其核心混凝土之间的相互作用和协同互补，也正是由于这种相互作用使这种结构具有较好的耐火性能。

1、国外的抗火试验研究

目前为止，国外关于火灾下钢管混凝土柱抗火性能试验研究较多， 主要研究试验结果表明：

（1）影响钢-混凝土组合柱抗火性能的主要因素有骨料类型、长细比、构件截面、混凝土强度等。钙质混凝土的钢管混凝土柱耐火极限的实测结果离散性较小，而硅质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性相对较大。

（2） 钢管仅在受火初期承担荷载，受火后期主要由核心混凝土承担荷载。

（3） 当构件长细比较大时，钢管混凝土柱耐火极限较低，破坏形态为失稳破坏，当构件长细比较小时，钢管混凝土柱耐火极限较高，破坏形态为强度破坏，并局部出现鼓曲和褶皱；

（4） 当轴压比较低时，钢管混凝土柱轴向膨胀变形明显，当轴压比较高时，柱轴向膨胀变形不明显，柱耐火极限低于30min。

2、国内的抗火试验研究

国内的抗火试验起步较晚，抗火试验也相对较少，比较著名的试验有两个：韩林海试验和韩金生试验。前者主要通过对钢管带保护层来提高其耐火极限，后者在核心混凝土中配置钢筋以提高抗火性能。

（1）韩林海采用的在钢管中填充素混凝土而成的钢管混凝土柱，共选用了25个试件（圆形14个、方形3个、矩形8个）。试件两端为铰接，控制升温曲线为ISO-834标准升温曲线，试件均四面均匀受火.该组试验主要考虑了截面形式、横截面尺寸、防火涂料保护层以及偏压与轴压对比等四个因素。

通过试验发现：

1）荷载偏心距对钢管混凝土柱耐火极限的影响不大。

2）防火保护层厚度对钢管混凝土构件的耐火极限有很大的影响，在其他条件相同的情况下，保护层厚度越大，构件耐火极限越长。

3）构件截面直径对钢管混凝土柱耐火极限有较大影响，构件在各自的火灾设计荷载作用下，直径越大，耐火极限越长。

4）钢管混凝土构件由于核心混凝土的吸热作用，及在火灾作用下钢管及其核心混凝土间的协同互补作用，使其具有较好的耐火性能，只要进行适当的防火保护即可达到要求的耐火极限。

（2）韩金生试验

该试验是没有防火保护的配筋钢管混凝土柱的火灾试验，选用5个试件，1个钢管素混凝土柱和 3个配筋钢管混凝土柱以及1个测温用短柱B1，同样按照标准升温曲线升温。

通过试验发现：

（1）在受火条件下，由于钢管，温度迅速升高，强度损失严重，钢管壁的厚度对耐火极限的影响不大。在受火较短时间内钢管已经基本上退出工作了。

（2）试件的破坏是由弯曲变形急剧增加造成的， 所有试件的最终破坏形态均为弯曲破坏。

（3）配筋量的多少对其抗火性能有着显著的作用，一方面，埋置在混凝土内部的钢筋升温较慢，在火灾下可保持足够的承载能力，直接提高柱的耐火极限；另一方面，加配的箍筋和纵筋对核心混凝土的约束作用和销栓作用可以改善核心混凝土火灾下的受力性能， 间接提高钢管混凝土柱的耐火极限。

二、理论研究

1、温度场计算

温度场计算理论较成熟，对于钢管混凝土柱，一般采用有限元法，包括ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件以及学者们自编的有限元软件，也有部分学者采用有限差分法，还有学者采用解析法或其他经验公式法。

2、结构构件抗火分析方法

（1）ANSYS、ABAQUS、DYNA3D等大型有限元软件

国外，Ding J， WangY C和 Hong Sangdo分别采用ANSYS和ABAQUS有限元软件对圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱抗火性能进行分析。

国内，查晓雄采用DYNA3D有限元软件对圆钢管混凝土轴压柱抗火性能进行分析。王卫华运用ABAQUS对圆钢管混凝土柱的耐火性能进行计算分析，计算时未考虑钢材高温蠕变和混凝土瞬态热应变，计算结果与实验结果比较总体偏于安全。

（2）自编有限元程序

WangY.C采用其自编的有限元程序FIREFRAME对无侧移钢管混凝土柱的抗火性能进行分析，通过建立无侧移框架模型分析柱有效长度、轴力和弯矩等因素对其耐火极限的影响。

韩林海利用自编有限元程序计算分析钢管混凝土柱截面的温度场，分析火灾荷载比、材料强度、截面含钢率、截面尺寸、构件长细比和荷载偏心率等参数对标准火灾下钢管混凝土柱的耐火极限和承载力的影响规律，理论结果与试验结果总体吻合。

东南大学韩金生根据Delphi和VF语言自编了数值计算有限元程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场，计算中考虑了水分、接触热阻和高温瞬态热应变的影响， 程序计算结果与试验结果符合得较好。

（3）纤维模型法

Lie TT和KodurV K R分别基于采用纤维模型法，提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式。该公式中考虑了火灾下作用在构件上荷载的大小、混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响。

Yang Y F采用纤维模型法对火灾下中空夹层钢管混凝土偏压柱的极限承载力进行了计算，并提出了中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的简化计算方法。

三、尚需解决的问题：

1、材料热-力耦合本构关系

在火灾作用下，钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场，同时材料性能在高温下会不断恶化，其温度效应和结构效应是同时存在的。由于火灾下组合结构构件截面受火的不均匀性，其存在明显的截面应力重分布和构件间的内力重分布，同时已有的研究和火灾案例表明，结构可能在降温阶段破坏，此时结构受火时间较长，结构抗火分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变不能忽略，因此需建立考虑升、降温的多轴滞回应力状态下的高温热-力耦合材料本构关系。

2、基于整体性能和升降温全过程的结构抗火分析计算理论

钢管混凝土柱构件中的混凝土和钢管中存在相互作用，混凝土和钢材间存在粘结-滑移。因此，有必要建立考虑火灾高温对钢管与混凝土约束套箍作用的弱化、对钢与混凝土间粘结-滑移性能的弱化、甚至高温导致的钢与混凝土分离、考虑升降温全过程的抗火分析计算理论。

3、“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估

火灾下，钢管混凝土柱是结构的最不利位置之一，与地震作用下结构的最不利位置是一致的，因此结构抗火设计原则可以基于结构抗震中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则。故在结构抗火设计中提出“小火不坏、中火可修、大火不倒”的抗火设计原则，在火灾后评估工作中建立“小火维修、中火加固、大火重建”的结构评定准则及相应的火灾损伤指标评定体系，具有十分重要的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]韩林海，杨有福，霍静思.钢管混凝土柱火灾后剩余承载力的试验研究[J].工程力学，2001（6）：100～109.

[2]韩林海，贺军利，吴海江，韩庆发.圆形截面钢管混凝土柱耐火性能的试验研究[J].土木工程学报，2000，33（3）：31-36.

[3]韩林海，徐蕾，冯九斌，杨有福.钢管混凝土柱耐火极限和防火设计实用方法研究[J].土木工程学报，2002，35（6）：6-13.

[4]韩林海.钢管混凝土结构[M]北京：科学出版社，2000：290-334.

[5]杨有福，韩林海，冯九斌，徐蕾，经建生，杜兰萍.钢管混凝土柱防火保护层厚度实用计算方法研究[J].钢结构，2001，16（6）：39-42.

[6]韩林海，霍静思.火灾作用后钢管混凝土柱的承载力研究[J].土木工程学报，2002，35（4）：25-35.

作者简介：

刘永杰，女，汉族，山东省青岛人，山东省青岛即墨市温泉街道办事处，镇村建设服务中心技术员。