混凝土柱耐火極限綜述

張俊杰 許 諾 黃金龍

(黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150022)

柱是房屋、橋梁、水工等各種工程結(jié)構(gòu)中最基本的承重構(gòu)件，即建筑結(jié)構(gòu)中最主要的承重構(gòu)件之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，幾十年來(lái)我國(guó)火災(zāi)給人民帶來(lái)的人身傷害和重大財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。因此建筑結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)情況下對(duì)主要的承重構(gòu)件柱子耐火極限的研究是十分有必要的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就此做了一系列的實(shí)驗(yàn)研究和有限元模擬對(duì)柱的耐火極限進(jìn)行研究。

1 混凝土柱耐火性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 普通混凝土柱

1.1.1 鋼管混凝土耐火性

1)四面受火。Ding等進(jìn)行的34根柱子的火災(zāi)，發(fā)現(xiàn)了初彎曲作用不大但在L/1 000時(shí)對(duì)耐火極限是最有益的;柱子內(nèi)的鋼管和柱子內(nèi)的核心混凝土，兩者之間粗的界面熱阻在一定程度上也能提高鋼管混凝土柱的耐火極限。查曉雄等在一些理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)影響鋼管混凝土耐火極限的一系列參數(shù)做了系統(tǒng)的理論研究，通過(guò)查等人的研究得出了:a.柱子的軸壓比增大和柱子管壁增大都使構(gòu)件耐火極限降低;b.框架結(jié)構(gòu)的柱子的端部約束越多，越能提高鋼管混凝土柱的耐火極限;c.柱子的截面尺寸增大則耐火極限提高。

日本的Inha提出一種耐火極限的計(jì)算方法，該方法能夠應(yīng)用于沒(méi)有保護(hù)層的鋼管外部情況。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究之后，Lie等發(fā)現(xiàn)了是什么原因使柱子的承載能力一直很低，如果說(shuō)在鋼筋混凝土柱中配置一些鋼筋，柱子的耐火極限會(huì)因?yàn)殇摻畹拇嬖诙娱L(zhǎng)，由于配置鋼筋會(huì)對(duì)柱子的截面尺寸有要求，Lie想出了鋼纖維鋼筋混凝土柱，這樣不但能使柱子的開(kāi)裂時(shí)間延長(zhǎng)，而且還增加了柱子的承載力。經(jīng)過(guò)多年長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)，Lie［1］終于研究出了一套耐火極限的計(jì)算公式。中國(guó)學(xué)者賀軍利［2］對(duì)鋼管混凝土柱對(duì)偏心、軸心受壓兩種情況進(jìn)行了初步的探討研究，在大量的回歸計(jì)算基礎(chǔ)上得到了耐火極限公式。2)非四面受火。呂學(xué)濤進(jìn)行了4根三面受火和2根單面受火的方鋼管混凝土柱的耐火試驗(yàn)，總結(jié)出了熱對(duì)阻對(duì)鋼管混凝土耐火極限的影響規(guī)律。同年，劉發(fā)起［3］做了三面受火鋼管混凝土矩形柱的受火實(shí)驗(yàn)，得出了耐火極限簡(jiǎn)化計(jì)算公式。陶燁［4］經(jīng)過(guò)對(duì)各參數(shù)的分析，并通過(guò)回歸計(jì)算的方法推導(dǎo)出了相鄰兩面受火情況下方鋼管混凝土柱耐火極限的公式。學(xué)者還對(duì)三面、相鄰兩面、相對(duì)兩面以及單面受火柱的耐火極限進(jìn)行了相互比較分析得出:耐火極限:單面受火＞相對(duì)兩面受火＞相鄰兩面受火＞三面受火以及四面受火。

1.1.2 鋼筋混凝土柱

1)四面受火。德國(guó)的 Hass、加拿大的 Lie和Wollerton、比利時(shí)的Dotreppe和Franssen分別做了不同數(shù)量的鋼筋混凝土柱耐火極限的檢測(cè)，為以后的實(shí)驗(yàn)研究做出了充足的準(zhǔn)備。瑞典的Forsen編制出了一套能夠算出在輸入一定荷載情況下柱的耐火極限的名為CONFIRE的有限元程序。Lie也研發(fā)出了一種SAFIR軟件，這種軟件能夠計(jì)算鋼、混凝土和鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火性。吳波、梁悅歡進(jìn)行了受火情況下鋼筋、混凝土隨機(jī)強(qiáng)度的耐火極限的研究，對(duì)鋼筋混凝土柱耐火極限進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到柱的耐火極限是服從正態(tài)分布的。吳波，洪洲［5］在研究截面尺寸、荷載偏心率、軸壓比和配筋率組合下的480種工況回歸總結(jié)出了耐火極限的經(jīng)驗(yàn)公式。

2)非四面受火。黃時(shí)飛［6］等在4 800種工況下對(duì)三面受火混凝土柱的受火實(shí)驗(yàn)研究中，推導(dǎo)出了耐火極限公式。徐玉野［7］對(duì)相鄰和三面受火的鋼筋混凝土矩形柱進(jìn)行了耐火極限的研究，此次研究中引入了新的參量荷載角，在研究11 520種工況中推導(dǎo)出了耐火極限的經(jīng)驗(yàn)公式。

表1 各類(lèi)型柱耐火極限公式

1.1.3 型鋼混凝土柱

1)四面受火。Hass進(jìn)行了40根型鋼混凝土柱耐火極限試驗(yàn)。ECCS提出了在已定條件下的型鋼混凝土柱耐火極限設(shè)計(jì)曲線。Eurocode4計(jì)算出了型鋼混凝土柱達(dá)到耐火極限時(shí)型鋼和混凝土尺寸的最小值。同濟(jì)大學(xué)的張彬［8］對(duì)鋼骨混凝土柱即型鋼混凝土柱進(jìn)行了耐火極限各種參數(shù)的影響研究。綜合并總結(jié)7種因素的影響規(guī)律，得出了相對(duì)準(zhǔn)確的型鋼混凝土耐火極限的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

2)非四面受火。李麗麗［9］和高偉華［10］分別做了小偏心荷載和大偏心荷載在三面受火情況下兩個(gè)型鋼混凝土柱的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)各參數(shù)對(duì)耐火極限的影響，歸納出了型鋼混凝土在受拉、壓側(cè)受火的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

1.2 混凝土異形柱

徐玉野、吳波［11］分別對(duì)11根鋼筋混凝土異形柱進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)升溫情況下的耐火性研究，并在大量的實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上給出了精度較高的鋼筋混凝土異形柱耐火極限的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。分別對(duì)三種類(lèi)型截面的異形柱在不同工況下的耐火性進(jìn)行了研究。

荊亞濤對(duì)三榀鋼筋混凝土異形柱框架做火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，在高溫下和梁柱剛度比、荷載比對(duì)鋼筋混凝土異形柱耐火極限等的影響分析。

徐玉野［12］等對(duì)T形截面柱受火在15 552種工況條件下，并在三種典型的受火方式下進(jìn)行研究，推導(dǎo)出了考慮荷載偏心率、配筋率、截面尺寸、軸壓比、計(jì)算長(zhǎng)度和荷載角等參數(shù)情況下的耐火極限簡(jiǎn)化公式。各類(lèi)型柱耐火極限公式見(jiàn)表1。

2 對(duì)混凝土柱的展望

型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)作為一種新型的型鋼混凝土構(gòu)件除了具備異形柱能夠加大建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)使用面積、能有效的避免柱子在建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)的凸出并且具有很好的建筑美觀效果的優(yōu)點(diǎn)之外，還兼具備型鋼混凝土結(jié)構(gòu)延性好、變形能力優(yōu)、承載力大、不易開(kāi)裂和耗能能力好的特點(diǎn)，因此型鋼混凝土異形柱在未來(lái)必將有廣闊的前景并得到更廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)混凝土柱結(jié)構(gòu)耐火極限做了較為完整的簡(jiǎn)要綜述。總結(jié)了各類(lèi)型柱在四面或非四面受火情況下的耐火極限，并總結(jié)了各位學(xué)者推導(dǎo)出的耐火極限簡(jiǎn)化公式。對(duì)混凝土柱結(jié)構(gòu)做了展望，但由于國(guó)內(nèi)外對(duì)型鋼混凝土異形柱的研究尚處在起步階段，對(duì)其耐火極限的研究更是空白，由此可見(jiàn)對(duì)型鋼混凝土耐火極限的研究有著非常重要的意義。希望本文對(duì)以后各位學(xué)者在這方面的研究有一定的借鑒作用。

［1］Lie T T，Irwin R J.Fire Resistance of Rectangular Steel Columns Filled with Bar-Reinforced Concrete［J］.Journal of Structural Engineering，1995，121(5):797-805.

［2］賀軍利，鐘善桐.鋼管混凝土柱耐火性能研究初探［J］.消防科技，1997(4):3-5.

［3］劉發(fā)起.三面受火的矩形鋼管混凝土柱抗火性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，2010.

［4］陶 燁.相鄰兩面受火的方鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)與耐火極限研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

［5］吳 波，洪 洲.鋼筋混凝土柱的耐火極限研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14(5):119-126.

［6］黃時(shí)飛，唐貴和，趙良恒.三面受火高強(qiáng)混凝土柱耐火極限研究［J］.工程結(jié)構(gòu)，2008，28(1):140-142.

［7］徐玉野，王全鳳，柴振嶺.相鄰兩面受火和三面受火混凝土矩形柱的耐火極限研究［J］.工程結(jié)構(gòu)，2008，25(11):70-77.

［8］張 彬.鋼管混凝土柱耐火極限的研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［9］李麗麗.小偏心荷載作用下三面受火型鋼混凝土(SRC)柱耐火極限研究［D］.蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2011.

［10］高偉華.大偏心荷載作用下3面受火SRC柱耐火極限研究［D］.蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2011.

［11］吳 波，徐玉野.鋼筋混凝土T形柱的耐火極限研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(3):32-39.

［12］徐玉野，王全鳳，邱政和.典型受火方式下等肢T形柱的耐火性能［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(2):118-223.