框架柱抗震抗火設(shè)計(jì)因素分析＊

李耀莊,尚國龍,吳小華,熊 偉

(中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南長沙 410075)

0 引言

地震火災(zāi)是地震的次生災(zāi)害之一。在城市系統(tǒng)日趨龐大、城市功能日益復(fù)雜的今天,地震次生火災(zāi)的危險(xiǎn)有增無減。一旦生活區(qū)、旅游區(qū)、工業(yè)區(qū)等發(fā)生地震后,建筑物發(fā)生火災(zāi),將更加危及結(jié)構(gòu)的安全,甚至釀成嚴(yán)重事故,使人民的生命和財(cái)產(chǎn)蒙受重大損失,所以在保證結(jié)構(gòu)抗震能力的同時(shí)又具備良好的抗火能力,是地震多發(fā)地區(qū)生命及財(cái)產(chǎn)得到保證的手段之一。

柱子是結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件之一。在地震火災(zāi)中,一旦柱子喪失了承載力,結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生局部倒塌,甚至整體坍塌。因而,鋼筋混凝土柱抗震抗火性能的研究在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震抗火性能的研究中具有舉足輕重的地位。事實(shí)上,鋼筋混凝土柱的抗震抗火性能的研究是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震抗火的基礎(chǔ)[1-2]。

現(xiàn)今,各國分別對(duì)鋼筋混凝土柱子的抗震設(shè)計(jì)因素與抗火設(shè)計(jì)因素進(jìn)行的研究已經(jīng)得出了很多成果,但同時(shí)考慮兩種災(zāi)害對(duì)設(shè)計(jì)因素的影響并對(duì)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行優(yōu)劣性分析的很少。通過對(duì)大量資料的積累與分析,本文指出了既考慮抗震又考慮抗火鋼筋混凝土框架柱相悖與相符的設(shè)計(jì)因素,并根據(jù)鋼筋混凝土框架柱在兩種災(zāi)害情況下各自的破壞形式,給出了設(shè)計(jì)過程中擇優(yōu)相符設(shè)計(jì)因素的依據(jù)以及選擇相悖設(shè)計(jì)因素的彌補(bǔ)方法,供工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)、研究時(shí)作參考。

1 地震火災(zāi)的危害

地震和火災(zāi)是威脅建筑物的兩大災(zāi)害,世界上多次大地震發(fā)生時(shí)和發(fā)生后有大規(guī)?；馂?zāi)發(fā)生。地震火災(zāi)雖然是地震的次生災(zāi)害,但它是對(duì)結(jié)構(gòu)安全的再次考驗(yàn)。地震火災(zāi)的發(fā)生主要由化學(xué)藥品、工業(yè)用爐、民用煤爐、燃爆液體、燃爆氣體、燃爆固體、電器火源等引起。由于火災(zāi)發(fā)生的原因眾多,可謂防不勝防,并且城市人口密度大幅度提高,易燃易爆的煤氣普及各個(gè)民居,室內(nèi)易燃物也有所增加,使地震火災(zāi)發(fā)生的可能性大大提高[3]。

目前國內(nèi)工程中考慮兩種災(zāi)害的防范措施基本是分別對(duì)待,往往認(rèn)為地震時(shí)只有地震災(zāi)害是主要的。地震火災(zāi)雖是地震的次生災(zāi)害,但有時(shí)卻比地震直接造成的危害和損失大得多。20世紀(jì)發(fā)生地震火災(zāi)的例子屢見不鮮,表1中列舉了幾個(gè)典型例子。

地震火災(zāi)所造成的損失是相當(dāng)嚴(yán)重的,震后的消防搶救也比平常的消防搶救困難。尤其是面對(duì)地震已經(jīng)造成了房屋倒塌、交通阻塞、水源中斷、人心恐慌、慌亂無章、顧此失彼等情形,正常情況下容易撲滅的小火也會(huì)釀成大災(zāi)。另外一方面,電力系統(tǒng)的恢復(fù),也會(huì)引發(fā)震后火災(zāi)的發(fā)生。

在地震火災(zāi)的情況下,如果結(jié)構(gòu)在地震中能滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”,并且具有較好的抗火特性,不僅能使地震后部分房屋的修繕費(fèi)用降低,而且能保證受困人員有更多的逃生時(shí)間。

表1 典型地震火災(zāi)一覽表[4]

2 框架柱的破壞形式

2.1 地震作用下框架柱的破壞形式

按照柱子的剪跨比,可以簡單地將柱子的破壞劃分成長柱延性彎曲破壞和短柱脆性剪切破壞形式。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土框架柱破壞形式的描述不盡相同,本文將其劃分為4種類型[5-7]。①彎曲破壞,彎曲型破壞是構(gòu)件在荷載作用下受拉鋼筋屈服之后,受壓區(qū)混凝土被壓碎及主筋壓屈而逐漸喪失承載能力的破壞。破壞過程較緩慢,具有連續(xù)、均勻的延性和良好的耗能特性。②壓彎破壞,這種破壞形式在柱子軸壓比過大,主筋配置不足,箍筋過稀等情況下常?？吹健簭澠茐拇蠖喑霈F(xiàn)在梁底與柱頂?shù)慕唤犹?混凝土壓碎剝落,主筋壓曲成燈籠狀。構(gòu)件在縱向受拉鋼筋還未屈服時(shí)就破壞,延性較差,并且難于修復(fù)。③剪切破壞,在往復(fù)的水平地震力作用下,隨著柱子剪跨比和軸壓比的大小變化,存在剪切破壞、剪拉破壞、剪壓破壞與高剪壓破壞的形式,延性相對(duì)較小;④粘結(jié)開裂破壞,一般先在柱端部出現(xiàn)彎剪裂縫,然后在距柱端約一個(gè)截面高度處的縱筋附近混凝土上出現(xiàn)第一條粘結(jié)開裂裂縫,隨著荷載增加,該裂縫沿整個(gè)柱高度發(fā)展,在反復(fù)荷載下形成“X”狀的交叉裂縫。當(dāng)達(dá)到最大荷載后,荷載下降較快,最后混凝土保護(hù)層沿主裂縫剝落。破壞過程較緩慢,達(dá)最大荷載后構(gòu)件剛度衰減較快,延性小。

2.2 火災(zāi)作用下框架柱的破壞形式

過鎮(zhèn)海、時(shí)旭東[8]等人通過五榀三面受熱的鋼筋混凝土門式框架的試驗(yàn),分析了高溫下框架的變形和內(nèi)力重分布規(guī)律、破壞特征以及極限承載力。結(jié)果表明,高溫下框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)次序、位置,以及破壞機(jī)構(gòu)和極限承載力等與常溫下顯著不同的情況。內(nèi)力在整個(gè)升溫過程中經(jīng)歷了劇烈且復(fù)雜的重分布過程。

三面受火的混凝土柱,當(dāng)軸力的偏心距絕對(duì)值較小或軸心受壓時(shí),為混凝土受壓破壞特征,裂縫細(xì)而密,撓度發(fā)展小,為典型的小偏心受壓破壞;偏心距絕對(duì)值較大時(shí),無論軸力偏向受火面或非受火面,拉區(qū)都有深且寬的主裂縫,鋼筋屈服后,破壞時(shí)撓度發(fā)展大,屬于大偏心受壓破壞[9-12]。四面受火的混凝土柱,軸心受壓或偏心距較小時(shí),破壞特征為整個(gè)截面壓壞;當(dāng)偏心距較大時(shí),將因側(cè)向撓度過大而破壞[13]。

3 鋼筋混凝土框架柱設(shè)計(jì)因素分析

抗震規(guī)范中要求混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)避免剪切破壞先于彎曲破壞,混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服,鋼筋的錨固粘結(jié)破壞先于構(gòu)件破壞。為了能滿足抗震規(guī)范要求,通過控制框架柱的設(shè)計(jì)因素以及采用FRP、CFRP等提高延性的措施,使柱子的破壞形態(tài)趨于良好的方向發(fā)展,其中主要設(shè)計(jì)因素有柱子所在位置、荷載類型、預(yù)壓荷載水平、荷載比、材料強(qiáng)度、截面尺寸、縱向鋼筋配筋率、箍筋配箍率、軸壓比、剪跨比、長細(xì)比、偏心距和約束條件等。

我國在1989年成立了火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室之后,對(duì)混凝土在火災(zāi)中的行為進(jìn)行了大規(guī)模研究,取得了豐碩的成果。影響柱耐火極限的因素眾多,概括起來有如下幾種:受火面、受火位置、升溫條件、預(yù)壓荷載水平、荷載比、材料強(qiáng)度、材料種類、截面尺寸、保護(hù)層厚度、縱向配筋率、箍筋配筋率、軸壓比、剪跨比、長細(xì)比、偏心距和約束條件等。

對(duì)抗震與抗火都有影響的設(shè)計(jì)因素有柱子所在位置、預(yù)壓荷載水平、荷載比、材料強(qiáng)度、截面尺寸、縱向配筋率、箍筋配筋率、軸壓比、剪跨比、長細(xì)比、偏心距和約束條件。本文將對(duì)抗震與抗火都有利以及對(duì)一方有利而對(duì)另外一方無害的設(shè)計(jì)因素歸為相符設(shè)計(jì)因素;對(duì)一方面有利對(duì)另一方面有害的設(shè)計(jì)因素歸為相悖設(shè)計(jì)因素。

3.1 相悖設(shè)計(jì)因素分析

(1)截面尺寸

增大截面尺寸,可以改變溫度分布,提高耐火極限,但剪跨比與長細(xì)比減小,延性下降,對(duì)抗震不利,同時(shí)增加了成本,增加結(jié)構(gòu)自重,可見增大截面尺寸并非是好的提高耐火極限的方法。

(2)箍筋配筋率

高層建筑荷載大;建筑上要求大柱距,使部分柱子承受的豎向荷載較大;為了節(jié)約空間,層高往往控制在2.7～3.9 m之間;柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)偏低;在房屋的抗震加固中,不適當(dāng)?shù)夭捎猛獍摻罨炷练椒庸?加大了柱截面。在高層建筑設(shè)計(jì)中不可避免地出現(xiàn)了短柱,為避免短柱發(fā)生脆性破壞從而使結(jié)構(gòu)破壞,必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?。由此設(shè)計(jì)時(shí)這些短柱沿全高度配置了加密箍筋,能提高柱的延性和抗剪承載力,降低地震力對(duì)柱的破壞程度,約束混凝土的橫向變形,并為縱向鋼筋提供側(cè)向支承,防止縱筋壓屈[14]。鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋對(duì)截面溫度場的溫度影響很小,但對(duì)溫度場的分布影響較大。過量配置箍筋能提高構(gòu)件內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)能力,在一定程度上能加重構(gòu)件材料的劣化[15]?？傮w而言,雖然增加箍筋對(duì)抗火稍有不利,但對(duì)提高柱子的承載能力以及提高抗震能力都有顯著效果。可以通過在柱子表面涂刷防火涂料來提高抗火能力,彌補(bǔ)這一缺陷。

(3)FRP(Fiber Reinforced Plastics)

由于樓板對(duì)梁的有利作用,使得理論計(jì)算上的“強(qiáng)柱弱梁”與實(shí)際情況有可能不符。因此,人們開始對(duì)如何提高柱子延性進(jìn)行了研究。由于FRP(Fiber Reinforced Plastics)具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、易于加工、耐久性及抗疲勞性能好等特點(diǎn),將該材料用于混凝柱加固中可以克服傳統(tǒng)加固方法中增加構(gòu)件自重、施工不便、施工周期長等諸多缺點(diǎn)。因此,如果在柱子的表面粘貼FRP布,約束核心區(qū)混凝土,可以有效提高柱的延性,從而改善框架結(jié)構(gòu)的抗震性能?？紤]抗火特性時(shí),以CFRP為例,碳纖維材料本身具有良好的耐火性能,在1 000℃惰性氣體中強(qiáng)度變化很小,但環(huán)氧類樹脂存在軟化點(diǎn)。通用型環(huán)氧樹脂在60℃以上,強(qiáng)度有明顯下降,只有耐高溫樹脂才可以在200～300℃的高溫下正常工作,所以碳纖維材料的抗火性能主要取決于環(huán)氧類樹脂的耐高溫性能。當(dāng)溫度超限后,CFRP與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)迅速降低,從而影響兩者之間的共同工作性能。因此,《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定,當(dāng)被加固結(jié)構(gòu)表面有防火要求時(shí),加固后碳纖維片材表面應(yīng)根據(jù)防火要求涂刷防火涂料或采取其它有效防火隔熱措施,以保證加固后建筑物能夠達(dá)到防火規(guī)范規(guī)定的防火等級(jí)。與CFRP材料廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)相比,對(duì)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)還沒得到應(yīng)有的重視[16-18]。

(4)高強(qiáng)混凝土

高強(qiáng)混凝土具有承載力高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn),在結(jié)構(gòu)中使用可以減小構(gòu)件截面尺寸,增大建筑物的使用面積,改善建筑物的使用功能和美學(xué)效果,同時(shí)能起到減輕結(jié)構(gòu)自重和提高剪跨比與長細(xì)比的作用,改善柱子的抗震性能。但由于高強(qiáng)混凝土材料本身的延性較差,采用時(shí)須慎重或與其他措施配合使用?；馂?zāi)作用下高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的表面混凝土常常發(fā)生普通混凝土極少出現(xiàn)的爆裂(Explosive Spalling)破壞,導(dǎo)致構(gòu)件截面削弱,截面溫度場發(fā)生突變,并致使全部或部分鋼筋直接暴露于高溫環(huán)境而迅速軟化,構(gòu)件承載力明顯降低。顯然,這給高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全帶來了極大的危害?？傮w來看,普通混凝土試件表面的高溫爆裂情況明顯弱于高強(qiáng)混凝土試件。總之,采用高強(qiáng)混凝土在地震火災(zāi)的情況下不是一種理想的抗災(zāi)措施,如若采用,需研究配合其它措施來實(shí)現(xiàn)抗災(zāi)目的。

3.2 相符設(shè)計(jì)因素分析

(1)柱子所在位置

按同一樓層中的位置不同,鋼筋混凝土柱可以分為角柱、邊柱和中柱。角柱一般為兩面受火柱,邊柱為單面或三面受火柱,而中柱則為四面受火柱。結(jié)果表明,鋼筋混凝土柱的耐火性能優(yōu)劣順序依次為相鄰兩面受火、三面受火和四面受火。震害的一般規(guī)律:柱的震害重于梁,角柱的震害重于一般柱,中柱重于邊柱,柱上端的震害重于下端。所以綜合得出中柱更需要做好抗震與抗火設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮合理布置柱子所在位置,對(duì)端部做好特殊處理。

(2)縱向鋼筋配筋率

縱向配筋率對(duì)軸壓柱的耐火極限影響不大,但隨著配筋率的增大,偏壓柱的耐火極限卻呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢[19]。柱的屈服位移角主要受縱向受拉鋼筋支配,并大致隨拉筋配筋率的增大呈線性增大。為了避免地震作用下柱過早進(jìn)入屈服,并獲得較大的屈服變形,必須使柱的縱向鋼筋配置不小于最小配筋率的要求[14]。保證足夠的縱向鋼筋配筋率可以防止少筋破壞,提高柱子的承載能力,同時(shí)對(duì)提高抗震與抗火的能力有利。

(3)混凝土保護(hù)層厚度

由于混凝土必須盡可能長時(shí)間地保護(hù)火災(zāi)中鋼筋的整體性,因而保護(hù)層的厚度和質(zhì)量對(duì)于維護(hù)鋼筋溫度低于450℃至關(guān)重要。保護(hù)層所有部分都必須振搗密實(shí),并在部分保護(hù)層進(jìn)行耐火性能檢測。即使是局部很小的裂縫缺陷,也能危及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的行為[20]?；炷帘Ｗo(hù)層厚度增大,構(gòu)件內(nèi)鋼筋的溫度降低,強(qiáng)度降低幅度減小,大偏心受壓構(gòu)件的耐火極限提高。但若保護(hù)層過大,在高溫下過早爆裂,鋼筋外露,使情況更為不利?？拐鹬袑?duì)混凝土保護(hù)層厚度的要求也是不宜過大與過小?？紤]到實(shí)際工程中柱的混凝土最小保護(hù)層厚度大致為25～40 mm,過大的保護(hù)層厚度會(huì)使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過大。綜合以上,保證適度的保護(hù)層厚度對(duì)提高抵抗地震與火災(zāi)的能力都有利。

(4)軸壓比

軸壓比是影響框架柱延性諸因素中最主要的因素。無論混凝土強(qiáng)度等級(jí)如何,隨著軸壓比的增大,試件的延性逐步減小,極限位移角也變得越來越小[21]。在長柱中,軸壓比越大,混凝土受壓區(qū)高度越大,壓彎構(gòu)件會(huì)從大偏壓破壞向小偏壓破壞過渡,小偏壓破壞的延性很小或者沒有延性;在短柱中,軸壓比增大也會(huì)改變柱的破壞形態(tài),會(huì)從剪壓破壞變成脆性的剪拉破壞,破壞時(shí)承載能力突然喪失[14]。大量實(shí)驗(yàn)表明,隨著軸壓比的增加,柱的耐火極限迅速降低[22]?？傊?控制軸壓比在一定合理的范圍內(nèi),對(duì)抗震與抗火都有利。

4 結(jié)論

(1)由于地震的破壞作用,惡化了撲滅地震火災(zāi)的條件,工程中應(yīng)該吸取地震火災(zāi)造成巨大損失的教訓(xùn),設(shè)計(jì)時(shí)使結(jié)構(gòu)兼顧抗震與抗火的特性。

(2)通過對(duì)鋼筋混凝土框架柱分別在地震與火災(zāi)作用下的破壞形式的歸納,進(jìn)而較全面地分析了分別抵抗兩種災(zāi)害的設(shè)計(jì)因素,得出抵抗兩種災(zāi)害應(yīng)該考慮的共同設(shè)計(jì)因素。

(3)截面尺寸、箍筋率、FRP、高強(qiáng)混凝土屬于相悖設(shè)計(jì)因素,不能同時(shí)對(duì)抵抗兩種災(zāi)害有利,只著重考慮抵抗單一災(zāi)害的情況或者采用較好的補(bǔ)救措施時(shí)還可以采用。綜合比較,增加截面尺寸不是抗震與抗火的理想措施;適當(dāng)增加箍筋率與采用FRP加固措施對(duì)提高柱子的延性很有利,可以通過在柱子表面涂刷防火涂料,彌補(bǔ)抗火的不足;采用高強(qiáng)混凝土對(duì)改善柱子抗震效果有限,并且對(duì)抗火不利,由此采用高強(qiáng)混凝土?xí)r要增加彌補(bǔ)措施。

(4)相符設(shè)計(jì)因素有柱子所在位置、縱向配筋率、保護(hù)層厚度、軸壓比、剪跨比、長細(xì)比等。這些因素對(duì)抵抗兩種災(zāi)害的效果不一,其中軸壓比、剪跨比、長細(xì)比對(duì)抵抗兩種災(zāi)害效果顯著;縱向配筋率僅能在滿足承載力要求的基礎(chǔ)上稍起輔助作用。由于這些因素都屬于相符設(shè)計(jì)因素,設(shè)計(jì)中都可采用,根據(jù)實(shí)際要求,發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

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