綠色新型材料組合結(jié)構(gòu)抗火性能研究與應用

趙蘭英，宗景美 （商丘工學院土木工程學院，河南 商丘 476000）

1 引言

隨著社會人口增長，經(jīng)濟快速發(fā)展以及土地資源的利用，房屋建筑有著越來越高的要求。目前，房屋建筑向著高層、大跨發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)體系或新型材料的研究就成了當今社會的熱點。高層新型結(jié)構(gòu)體系鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)已不能滿足超高層建筑的需求，而新型的結(jié)構(gòu)體系研究比較困難，所以提高材料性能成為滿足高層建筑需求的主要途徑。在普通混凝土中加入鋼纖維，對混凝土的脆性有很大改善，在工程應用中取得較好的經(jīng)濟效果。為進一步保護環(huán)境及實現(xiàn)材料可持續(xù)發(fā)展甚至達到更好的經(jīng)濟性能，綠色高性能纖維增強水泥基復合材料應運而生。建筑火災由于其自身特點，一旦發(fā)生就會造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，所以建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的研究迫在眉睫。

組合結(jié)構(gòu)具有較高的承重力、整體性好等優(yōu)點在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應用越來越多，因此組合結(jié)構(gòu)的抗火性能及抗火設計理論的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文對組合結(jié)構(gòu)以及綠色高性能纖維增強水泥基復合材料的組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，對已有的抗火設計方法進行討論，并對綠色高性能纖維增強水泥基復合材料組合結(jié)構(gòu)的研究進行展望，期望能為以后的研究提供意見和建議。

2 國內(nèi)外組合結(jié)構(gòu)及節(jié)點抗火性能研究

2.1 混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能

目前，國內(nèi)外對于混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火性能方面的具體研究相對較少，王勇、段亞昆等[1]從不同位置、受火時間，配筋率等多方面對連續(xù)三跨的混凝土板進行了火災試驗分析，得出配筋率和連續(xù)配筋方式可以明顯提高構(gòu)件的抗火性能，但對于不同的計算方法得出的抗火承載力有明顯差別。文獻[2-3]分別建立了多層和高層框架結(jié)構(gòu)的計算模型，利用數(shù)值模擬的方法模擬分析了各種不同工況火災情況下，框架結(jié)構(gòu)的變形、破壞、內(nèi)力及耐火極限，得出框架結(jié)構(gòu)火災作用下發(fā)生的局部破壞和整體倒塌的兩種破壞形態(tài)以及破壞梁的位置對結(jié)構(gòu)耐火極限的影響。文獻[4]通過試驗研究與數(shù)值模擬對比研究分析了鋼管混凝土組合框架結(jié)構(gòu)在不同受火時間下的破壞形態(tài)，總結(jié)了其塑性鉸的出現(xiàn)位置，并以單層單跨和兩層兩跨的組合框架為模型進行破壞驗證，總結(jié)其力學性能，進一步推進了鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能的研究。文獻[5]建立了兩塊鋼-混凝土組合梁模型進行了足尺火災試驗，分析了火在下構(gòu)件塑性鉸的出現(xiàn)以及組合梁的懸鏈線效應影響因素，證實影響結(jié)構(gòu)抗火性能的主要因素之一為荷載比以及荷載比與組合梁的懸鏈線效應的關(guān)系。

2.2 新型材料組合結(jié)構(gòu)抗火性能研究

房屋建筑向著高層、大跨方向發(fā)展，除了推進結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，也給新型材料的應用帶來了機遇。新興材料在結(jié)構(gòu)中的應用，各新型材料下結(jié)構(gòu)體系的力學性能研究也逐漸成熟，國內(nèi)外學者對新材料下結(jié)構(gòu)體系的抗火性能研究也在逐步進行。

文獻[6]進行了8個預應力活性粉末（RPC）混凝土簡支梁在標準ISO834升溫曲線下的抗火試驗研究，總結(jié)了一定條件下RPC混凝土簡支梁的火災破壞形態(tài)，試驗結(jié)果表明，影響結(jié)構(gòu)耐火極限的最主要因素是水平荷載大小及混凝土保護層厚度，并且試驗驗證常溫下混凝土結(jié)構(gòu)適筋構(gòu)件的設計方法不能滿足火災下梁的適筋破壞延性要求。

文獻[7-8]制作了三組 GHPFRCC（綠色高性能纖維增強水泥基復合材料）梁柱節(jié)點構(gòu)件通過現(xiàn)場試驗手段對構(gòu)件的耐火極限進行了研究。結(jié)果表明對軸壓比進行合理控制在一定程度上可以提高其耐火極限，同時受火面越多越均勻，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能越好。另外通過數(shù)值模擬分析與試驗結(jié)果對比分析說明了有限元分析進行結(jié)構(gòu)抗火性能研究手段是可行的。

文獻[9]按照1:2建立“田”形框架結(jié)構(gòu)的縮尺模型，進行了火災試驗研究，總結(jié)了火災作用下“田”形框架結(jié)構(gòu)的溫度場，位移場的分布規(guī)律以及結(jié)構(gòu)抗火性能的影響因素，同樣利用有限元軟件進行同等工況下的“田”形框架結(jié)構(gòu)的火災模擬分析，結(jié)果對比分析具有較好的吻合性，說明有限元分析進行結(jié)構(gòu)抗火性能研究手段的有效性。

2.3 組合結(jié)構(gòu)工程應用

組合結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮不同材料的力學性能，具有整體性好及施工方便等特點，能夠滿足大跨、高層等土木工程建筑需求，在我國發(fā)展較為迅速，并且獲得廣泛應用[10]。北京的香格里拉飯店采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，2層以上為型鋼混凝土柱、組合梁組成的剛接框架，柱內(nèi)配置H型鋼。上海金茂大廈周邊采用8根截面尺寸為1.5m×5.0m矩形鋼混凝土柱，柱中配置2根焊接H型鋼。深圳地王大廈在58層以下采用型鋼混凝土柱。北京的世界金融大廈、深圳賽格大廈等采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。各大火車站、飛機場都采用了組合結(jié)構(gòu)技術(shù)。新型材料組合結(jié)構(gòu)因其有較好的性能，在軍隊建筑、防護工程等重點工程中應用，但各種新型材料由于其稀缺性，造價高等特點很難在工程中普遍采用。所以研究價格低廉且工程性能較好的新型材料組合結(jié)構(gòu)是當下的重中之重。

3 存在的主要問題

3.1 試驗研究

普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火性能研究多數(shù)停留在有限元分析上，試驗尤其是結(jié)構(gòu)體系整體試驗較少，節(jié)點試驗相對而言雖多，但力學形態(tài)研究不全面?？傮w上，試驗研究方法不統(tǒng)一，試驗結(jié)果很難比較及共享。

3.2 抗火性能理論分析

組合結(jié)構(gòu)抗火性能無論在試驗研究還是理論分析中，學者都很難考慮材料高溫徐變、熱應變等特點，忽略了高溫下材料的內(nèi)力重分布，直接采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的平截面基本假定進行研究，結(jié)論的可靠性有待進一步驗證。另外各有限元分析軟件進行火災作用下結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模擬時也忽略了組合結(jié)構(gòu)材料高溫下的變形，精確度較差。關(guān)于組合結(jié)構(gòu)的抗火性能設計國家沒有統(tǒng)一的設計標準，抗火性能難以保證。

3.3 新型材料組合結(jié)構(gòu)

高溫下混凝土的力學性能嚴重退化，為滿足結(jié)構(gòu)大跨、高層以及耐高溫等的需求，新型材料的研究成為改善結(jié)構(gòu)性能的一大熱點。在混凝土中加入纖維材料的纖維增強混凝土、再生混凝土、纖維增強再生混凝土以及綠色高性能纖維增強水泥基復合材料（Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites，GHPFRCC）在組合結(jié)構(gòu)中應用研究正在完善。對新型材料組合結(jié)構(gòu)的抗火性能研究有待進一步深入，并逐漸推廣應用。

4 尚需深入研究的問題

①新型材料組合結(jié)構(gòu)有較好的力學及耐高溫性能，但施工技術(shù)復雜，材料造價高，多數(shù)只在組合結(jié)構(gòu)節(jié)點使用，如何提高新型材料與混凝土材料的共同工作效率仍需深入研究。

②無論組合結(jié)構(gòu)節(jié)點還是結(jié)構(gòu)體系整體抗火性能試驗中受火方式、火災后承載力喪失前表面爆裂現(xiàn)象的改善等試驗方法問題還需進一步改善。

③國內(nèi)開展的結(jié)構(gòu)整體火災試驗多是模型試驗，足尺整體結(jié)構(gòu)試驗很難開展。研究整體結(jié)構(gòu)火災下的有限元分析方法勢在必行。完善各種材料高溫下本構(gòu)模型關(guān)系，研發(fā)解決大型結(jié)構(gòu)體系火災模型及數(shù)值運行軟件是迫在解決的難題。

④新型材料組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)有待進一步研究，加快其在工程中的應用速度，切實促進我國結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展及推廣。