小議鋼管混凝土結構抗火力學性能

張忠珍

摘 要:本文簡要介紹了鋼管混凝土火災中(后)力學性能的研究現狀,探討了組成鋼管混凝土的鋼管及核心混凝土在火災中(后)的相互作用以及鋼筋混凝土結構抗火性能研究的幾個關鍵問題。

關鍵詞:鋼管混凝土 抗火力學性能

一、前言

鋼管混凝土是在勁性鋼管混凝土和螺旋混凝土的基礎上演變和發(fā)展起來的在鋼管中填充混凝土的組合結構。在受力過程中,利用鋼管對混凝土的環(huán)向約束作用使混凝土處于復雜應力狀態(tài),從而使得混凝土的強度得以提高,塑性和韌性性能大為改善。

國內外大量的耐火研究和工程實踐表明,鋼管混凝土具有較好的耐火性能,主要表現在:(1)鋼管對核心混凝土起到約束和保護作用,不僅提高了構件的承載力,而且避免了混凝土的高溫爆裂現象;(2)核心混凝土的存在可以延緩構件局部屈曲,從而能提高鋼管混凝土的耐火性能;(3)火災后,隨著外界溫度的降低,鋼管混凝土結構已屈服截面處鋼管的強度可以得到不同程度的恢復,截面的力學性能比高溫下有所改善,結構的整體性比火災中也有所提高。

二、鋼管混凝土結構研究現狀

我國還沒有制定針對鋼管混凝土結構的防火規(guī)定。這在很大程度上制約了鋼管混凝土結構在各類建筑中的推廣與應用,而且對已建或在建鋼管混凝土結構建筑物的耐火等級的確定缺乏必要的科學依據,由此造成很大程度上的安全隱患。

近年來,我國研究者開始了對圓形和方形截面的鋼管混凝土結構的耐火性能的研究工作,研究工作主要從兩個方面入手:一是研究鋼管混凝土結構火災下的力學性能,用于確定其耐火極限,為制訂鋼管混凝土的防火設計規(guī)范做準備工作;二是研究鋼管混凝土結構火災后的力學性能,用來確定鋼管混凝土火災后的殘余承載力,為鋼管混凝土結構火災后的維修與加固提供理論依據。

三、火災作用下鋼管混凝土結構的力學性能

國內外學者已對鋼管混凝土柱耐火極限進行了系統(tǒng)的研究,經過國內外學者多年的研究表明:由于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土在火災時的相互作用,使鋼管混凝土具有比鋼結構和鋼筋混凝土結構更好的耐火性能。首先,由于核心混凝土的存在,使鋼管在受火時的溫度升高較單純鋼結構的升溫大為滯后,在溫度升高的初期,鋼管將吸收的熱量傳導給其內部的混凝土,混凝土在吸收了熱量溫度升高后,由于鋼材在200℃左右時,強度略高于常溫狀態(tài),混凝土在溫度300℃以下時,強度基本不發(fā)生變化,并且因混凝土的自蒸過程和二次水化等綜合作用,使混凝土硬化,抗壓強度還有一定提高,同時產生的水蒸汽對鋼管產生了降溫作用,使得鋼管混凝土結構的防火性能和耐火極限遠遠高于在同等火災情況下的鋼結構;同樣,由于外部鋼管的存在,使處于核心區(qū)域的混凝土在火災高溫狀態(tài)下不發(fā)生表面爆裂,使高溫下的混凝土整體性保持完好,即使混凝土因高溫強度完全喪失,也會在外部鋼管的約束作用下仍能承擔一部分荷載,使得鋼管混凝土結構的防火性能和耐火極限也高于同等火災情況下的鋼筋混凝土結構。其次,由于組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間具有相互貢獻、協(xié)同互補的特點,當溫度升高時,兩種材料共同工作,共同承擔溫度升高后造成的荷載分布的變化,能夠發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)良性能。

四、火災作用后鋼管混凝土結構的力學性能

高溫作用后鋼管混凝土的力學性能發(fā)生了很大的變化,而且這種變化是與鋼管和混凝土的相互協(xié)同工作分不開的。對于鋼管來說,一般認為高溫后其力學性能基本恢復,屈服極限和彈性模量與常溫相同或降低很少,應力—應變關系可類似于常溫時的情況,可用理想彈塑性或硬化彈塑性的形式表示。而混凝土在溫度較低時,強度下降不大,即使在高溫狀態(tài)下,也由于外部鋼管的約束,仍保持良好的整體性?；馂暮箅S著外界溫度的降低,鋼管混凝土結構已屈服截面處鋼管的強度得到了不同程度的恢復,結構的整體性比火災中有所提高。

在火災后,鋼管混凝土構件的強度可以根據外界條件的不同得到不同程度的恢復,結構的力學性能和整體性與高溫狀態(tài)時比有較大程度改善。而相同條件下鋼結構或鋼筋混凝土結構則不具備這種能力。鋼結構在經歷火災后,普遍會因遭受超過界限溫度的高溫而造成結構失穩(wěn),使結構扭曲并產生較大的變形,即使在溫度降低后結構強度有一定程度的恢復,但建筑物的整體性己被破壞,無法通過維修繼續(xù)使用;同樣,鋼筋混凝土結構在持續(xù)高溫作用下,混凝土表面會產生裂縫,甚至發(fā)生爆裂,嚴重的會造成鋼筋與混凝土分離,使結構基本喪失承載力,即使在高溫作用時間不長的情況下,有可能保持一定的整體性,但由于混凝土性質發(fā)生不可逆的化學變化,結構基本上不存在修復并繼續(xù)使用的價值。而鋼管混凝土則由于鋼管和混凝土的協(xié)同互補、共同工作的優(yōu)勢。使經歷火災的鋼管混凝土結構的強度和剛度能夠大部分恢復,結構完整性和可修性遠遠高于同等條件下的鋼結構和鋼筋混凝土結構。這不僅使得經歷火災的建筑結構的拆除重建率大大降低,具有十分明顯的經濟效益。而且對于結構的維修和加固補強的工作量大為減少,并在降低維修和加固費用的同時減少了自然資源的浪費,也具有十分明顯的社會效益。

五、鋼管混凝土結構抗火力學性能研究的幾個關鍵問題

對鋼管混凝土結構的抗火性能研究已經取得了較系統(tǒng)的成果,但仍處于起步階段。由于試驗設備和方法的限制,對于影響其抗火性能的諸多因素不能完全加以考慮,在研究方法上也有很多有待完善的地方。鋼管混凝土結構的抗火性能研究的趨勢是:(1)考慮結構整體空間作用,以整體結構在火災下承載力極限狀態(tài)取代目前的以單根構件的承載力極限狀態(tài)進行更為合理的抗火設計;(2)考慮實際火災燃燒模式,并把結構在火災下的反應(即對結構在荷載和火災共同作用下)和火災后降溫過程作為連續(xù)的過程加以研究,對不同的火災模式、不同的荷載路徑和不同的溫度史及溫度—應力史(升溫、降溫和反復升降溫)加以研究,綜合考慮結構對荷載和溫度共同作用下的反應,對結構的內力和變形性能進行全過程分析,建立更為合理、經濟的抗火設計方法,以減少結構抗火設計費用。

六、結束語

鋼管混凝土耐火力學性能的研究由于試驗條件所限,并沒有得到很好的解決,進一步研究鋼管混凝土結構的抗火力學性能是十分必要和迫切的。因此,研究者需要抓緊鋼管混凝土結構抗火的關鍵問題,進一步對其進行研究,并在理論研究與工程實踐相結合的基礎上制訂鋼管混凝土結構抗火規(guī)程。

參考文獻:

1.欒波,劉明,尹曉明.鋼管混凝土在火災作用下(后)的性能-理論與發(fā)展[J].混凝土.2003(12):12～14.

作者單位:廣西城市建設學校