鋼筋混凝土構(gòu)件抗火性能研究進(jìn)展

王科

山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

鋼筋混凝土構(gòu)件抗火性能研究進(jìn)展

王科

山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

基于近年來(lái)對(duì)于鋼筋混凝土抗火性能的研究，本文主要對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件抗火性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其研究方向進(jìn)行了展望。

鋼筋混凝土；構(gòu)件；抗火性能

1 前言

近幾年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及城市化水平的進(jìn)一步提高，人口稠密度越來(lái)越大，高層建筑也紛紛拔地而起，相應(yīng)的，火災(zāi)發(fā)生的頻率和危險(xiǎn)性也越來(lái)越高，給人類的生命和財(cái)產(chǎn)造成了前所未有的損失。

據(jù)聯(lián)合國(guó)世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)中心2000年資料，全球每年約發(fā)生火災(zāi)600萬(wàn)～700萬(wàn)次，全球每年死于火災(zāi)的人數(shù)65000～75000人。其中，建筑火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)最多，造成的損失最大，其危害性也居首位。例如：在2001年“9.11”事件中，位于美國(guó)紐約曼哈頓的世界貿(mào)易中心（World Trade Center）兩座110層411m高的鋼結(jié)構(gòu)大樓因飛機(jī)撞擊而引發(fā)倒塌，造成2830人死亡。經(jīng)過(guò)美國(guó)聯(lián)邦緊急救援委員會(huì)（FEMA）等組織的調(diào)查研究，World Trade Center大樓倒塌其根本原因是飛機(jī)撞擊引發(fā)的建筑火災(zāi)造成的。[1]

因此，研究建筑火災(zāi)，特別是占主導(dǎo)地位的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能意義十分重大，而對(duì)于鋼筋混凝土材料及構(gòu)件的研究則是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)。

國(guó)外對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究始于20世紀(jì)50年代，主要研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)、歐洲國(guó)際混凝土協(xié)會(huì)等，研究?jī)?nèi)容為混凝土高溫材性，板、梁、柱等構(gòu)件及框架的火災(zāi)中及火災(zāi)后的性能。

國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火研究則較晚，直至上世紀(jì)80年代中后期才開始對(duì)混凝土材性、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受火性能進(jìn)行研究[2-5]。

2 升溫曲線及溫度場(chǎng)

2.1 升溫曲線

升溫曲線即反應(yīng)溫度隨時(shí)間變化的曲線。由于火災(zāi)發(fā)展將經(jīng)歷火災(zāi)初起階段、火災(zāi)全面發(fā)展階段和火災(zāi)熄滅階段三個(gè)階段，影響溫度-時(shí)間曲線的因素很多，要準(zhǔn)確預(yù)先確定火災(zāi)發(fā)展過(guò)程（溫度-時(shí)間曲線）是困難的。因此，各國(guó)為了使火災(zāi)試驗(yàn)和研究有一個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，即增強(qiáng)可比性，紛紛制訂了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。國(guó)際上很多國(guó)家和組織如：美國(guó)、英國(guó)、比利時(shí)、意大利、瑞士、日本等[1]都制訂了標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火災(zāi)升溫曲線。我國(guó)采用較多的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制訂的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，表達(dá)式如下：

2.2 溫度場(chǎng)

進(jìn)行建筑室內(nèi)火災(zāi)分析與研究，首先要建立反應(yīng)火災(zāi)時(shí)室內(nèi)空氣溫度分布及其隨時(shí)間變化的模型。目前，常用的有區(qū)域模型（Zone Model）和場(chǎng)模型（Field Model）。區(qū)域模型是一種理想模型，在區(qū)域分層內(nèi)部假設(shè)各參數(shù)均勻一致，而場(chǎng)模型是對(duì)所研究的空間進(jìn)行離散，用數(shù)值方法求解出火災(zāi)各時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)（溫度、速度、組分的濃度、力的大小等）在空間中的分布，也就是場(chǎng)的概念。

3 構(gòu)件的抗火研究

建筑構(gòu)件的抗火研究是建筑結(jié)構(gòu)抗火研究的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的比較多的有柱、梁、板等，而對(duì)于節(jié)點(diǎn)的研究則是發(fā)展方向。

3.1 鋼筋混凝土柱

柱是建筑結(jié)構(gòu)主要的承重構(gòu)件，其重要性不言而喻?？拐鹪O(shè)計(jì)中“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則便充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。柱在高溫下，其受火面有一面、二面、三面和四面之分。如為均勻受火，例：四面受火，軸壓柱破壞由混凝土強(qiáng)度決定，偏壓柱則主要因側(cè)向撓度過(guò)大而失效。如處于非均勻受火狀態(tài)，其溫度往往不均勻。在高溫下，高溫區(qū)鋼筋混凝土性能劣化，承載力降低，因此其豎向承載力多由非高溫區(qū)（或相對(duì)低溫區(qū)）承擔(dān)，如受火不均勻，軸壓柱在高溫下往往處于實(shí)際的偏心狀態(tài)，即強(qiáng)度中心與幾何中心不重合，對(duì)受力不利。吳波等通過(guò)對(duì)5根高強(qiáng)混凝土柱和2根普通混凝土柱的明火試驗(yàn)，考察了不同受火方式對(duì)混凝土柱破壞形態(tài)、軸向變形和耐火極限的影響。[6]結(jié)論如下：非四面受火柱的耐火極限較四面受火柱有很大提高，同時(shí)三面受火柱的耐火極限小于兩面受火柱；相同受火方式和相同軸壓比下高強(qiáng)混凝土柱的耐火極限遠(yuǎn)低于普通混凝土柱；相同受火方式下大軸壓比普通混凝土柱的耐火極限可能小于中等軸壓比的高強(qiáng)混凝土柱。另外研究還發(fā)現(xiàn)，柱在恒載升溫情況下的承載力高于恒溫加載，其它試驗(yàn)方法承載力介于兩者之間。原因可能是由于恒載對(duì)于構(gòu)件的變形和裂縫發(fā)展有一定的約束作用。

3.2 框架節(jié)點(diǎn)

現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于構(gòu)件抗火性能研究已經(jīng)做了大量的工作，而對(duì)于火災(zāi)下及火災(zāi)后鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的研究鮮見文獻(xiàn)。對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)在高溫下的性能研究，也多為非混凝土構(gòu)件。如1976年法國(guó)的Kruppa進(jìn)行了鋼節(jié)點(diǎn)的火災(zāi)試驗(yàn)研究，隨后英國(guó)鋼鐵公司在1982年完成了類似的實(shí)驗(yàn)研究工作，他們主要考察高強(qiáng)螺栓在火災(zāi)下的工作性能。Lawson進(jìn)行了8個(gè)十字形梁柱節(jié)點(diǎn)在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線控制的火災(zāi)作用下的實(shí)驗(yàn)。Wang和Davies報(bào)到了8個(gè)鋼梁和矩形鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)下性能的實(shí)驗(yàn)研究成果，節(jié)點(diǎn)連接采用的是外伸式端板連接等。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、福州大學(xué)等對(duì)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較深入的研究?；綮o思等對(duì)火災(zāi)后鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度退化不明顯，即使達(dá)到破壞荷載通常仍能繼續(xù)承受荷載；鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)具有較好的延性和抗震耗能能力，隨著柱軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)的延性降低，耗能能力變化不大；節(jié)點(diǎn)域的剪切變形對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響可忽略不計(jì)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于火災(zāi)下及火災(zāi)后鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的研究鮮有報(bào)道，僅傅傳國(guó)、王廣勇等在山東建筑大學(xué)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)中及火災(zāi)后的試驗(yàn)研究。研究現(xiàn)已得出初步結(jié)論：提出了框架節(jié)點(diǎn)在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律、變形規(guī)律、破壞規(guī)律（節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的溫度較梁柱截面溫度低；梁內(nèi)端附近首先破壞的截面沒有發(fā)生在梁柱相交的最大彎矩截面，而是向外移動(dòng)了一段距離，因?yàn)楹诵膮^(qū)溫度低于梁中部溫度，所以截面向高溫的外部移動(dòng)；梁底部的裂縫開展較寬，梁截面的破壞形態(tài)為彎曲破壞，而沒有發(fā)生剪切破壞）；軸向壓力增加使截面的延性降低，升溫時(shí)間的延長(zhǎng)使截面的延性增加；單室火災(zāi)下，升溫過(guò)程中各截面發(fā)生明顯的內(nèi)力重分布，受火梁柱的熱膨脹是結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的主要原因，柱端彎矩的內(nèi)力重分布程度大于梁端彎矩。這些研究必定為鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的耐火性能研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)于建筑抗火性能的要求也越來(lái)越高，研究及發(fā)展建筑構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的抗火性能，特別是廣泛應(yīng)用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火研究越來(lái)越受到人們的重視。鋼筋混凝土構(gòu)件的抗火性能研究已經(jīng)有據(jù)可循，但梁柱節(jié)點(diǎn)的研究才剛剛起步，將成為下一步的研究重點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件是組成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的部件，對(duì)其科學(xué)系統(tǒng)的研究，必定為框架結(jié)構(gòu)等在火災(zāi)中及火災(zāi)后的力學(xué)性能和抗火設(shè)計(jì)方法的研究奠定基礎(chǔ)。

[1]李國(guó)強(qiáng),韓林海,樓國(guó)彪,蔣首超.鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]時(shí)旭東,過(guò)鎮(zhèn)海.高溫下鋼筋混凝土受力性能的試驗(yàn)研究[S].清華大學(xué),2000(6).

[3]過(guò)鎮(zhèn)海,時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析[S].清華大學(xué)出版社.

[4]張智梅,葉志明,劉濤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究進(jìn)展[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2005(1).

[5]劉利先,呂龍,劉錚,王?，?高溫下及高溫后混凝土的力學(xué)性能研究[J].2004(11).

[6]吳波,唐貴和,王超.不同受火方式下混凝土柱耐火性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].2006(6).