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，黑龍江哈爾濱 150022)

柱是房屋、橋梁、水工等各種工程結構中最基本的承重構件，即建筑結構中最主要的承重構件之一。據統計，幾十年來我國火災給人民帶來的人身傷害和重大財產損失不計其數。因此建筑結構在遭受火災情況下對主要的承重構件柱子耐火極限的研究是十分有必要的。國內外學者就此做了一系列的實驗研究和有限元模擬對柱的耐火極限進行研究。

1 混凝土柱耐火性國內外研究現狀

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等進行的34根柱子的火災，發現了初彎曲作用不大但在L/1 000時對耐火極限是最有益的;柱子內的鋼管和柱子內的核心混凝土，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和實驗研究的基礎之上，對影響鋼管混凝土耐火極限的一系列參數做了系統的理論研究，通過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件耐火極限降低;b.框架結構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算方法，該方法能夠應用于沒有保護層的鋼管外部情況。經過大量的實驗研究之后，Lie等發現了是什么原因使柱子的承載能力一直很低，如果說在鋼筋混凝土柱中配置一些鋼筋，柱子的耐火極限會因為鋼筋的存在而延長，由于配置鋼筋會對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裂時間延長，而且還增加了柱子的承載力。經過多年長期的實驗，Lie［1］終于研究出了一套耐火極限的計算公式。中國學者賀軍利［2］對鋼管混凝土柱對偏心、軸心受壓兩種情況進行了初步的探討研究，在大量的回歸計算基礎上得到了耐火極限公式。2)非四面受火。呂學濤進行了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，總結出了熱對阻對鋼管混凝土耐火極限的影響規律。同年，劉發起［3］做了三面受火鋼管混凝土矩形柱的受火實驗，得出了耐火極限簡化計算公式。陶燁［4］經過對各參數的分析，并通過回歸計算的方法推導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。學者還對三面、相鄰兩面、相對兩面以及單面受火柱的耐火極限進行了相互比較分析得出:耐火極限:單面受火＞相對兩面受火＞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。德國的 Hass、加拿大的 Lie和Wollerton、比利時的Dotreppe和Franssen分別做了不同數量的鋼筋混凝土柱耐火極限的檢測，為以后的實驗研究做出了充足的準備。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也研發出了一種SAFIR軟件，這種軟件能夠計算鋼、混凝土和鋼筋混凝土組合結構的抗火性。吳波、梁悅歡進行了受火情況下鋼筋、混凝土隨機強度的耐火極限的研究，對鋼筋混凝土柱耐火極限進行了統計分析，得到柱的耐火極限是服從正態分布的。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種工況回歸總結出了耐火極限的經驗公式。

2)非四面受火。黃時飛［6］等在4 800種工況下對三面受火混凝土柱的受火實驗研究中，推導出了耐火極限公式。徐玉野［7］對相鄰和三面受火的鋼筋混凝土矩形柱進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種工況中推導出了耐火極限的經驗公式。

表1 各類型柱耐火極限公式

1.1.3 型鋼混凝土柱

1)四面受火。Hass進行了40根型鋼混凝土柱耐火極限試驗。ECCS提出了在已定條件下的型鋼混凝土柱耐火極限設計曲線。Eurocode4計算出了型鋼混凝土柱達到耐火極限時型鋼和混凝土尺寸的最小值。同濟大學的張彬［8］對鋼骨混凝土柱即型鋼混凝土柱進行了耐火極限各種參數的影響研究。綜合并總結7種因素的影響規律，得出了相對準確的型鋼混凝土耐火極限的簡化計算公式。

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型鋼混凝土柱的火災實驗，通過各參數對耐火極限的影響，歸納出了型鋼混凝土在受拉、壓側受火的簡化計算公式。

1.2 混凝土異形柱

徐玉野、吳波［11］分別對11根鋼筋混凝土異形柱進行了標準升溫情況下的耐火性研究，并在大量的實驗研究的基礎上給出了精度較高的鋼筋混凝土異形柱耐火極限的簡化計算公式。分別對三種類型截面的異形柱在不同工況下的耐火性進行了研究。

荊亞濤對三榀鋼筋混凝土異形柱框架做火災實驗，在高溫下和梁柱剛度比、荷載比對鋼筋混凝土異形柱耐火極限等的影響分析。

徐玉野［12］等對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行研究，推導出了考慮荷載偏心率、配筋率、截面尺寸、軸壓比、計算長度和荷載角等參數情況下的耐火極限簡化公式。各類型柱耐火極限公式見表1。

2 對混凝土柱的展望

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

3 結語

本文對混凝土柱結構耐火極限做了較為完整的簡要綜述。總結了各類型柱在四面或非四面受火情況下的耐火極限，并總結了各位學者推導出的耐火極限簡化公式。對混凝土柱結構做了展望，但由于國內外對型鋼混凝土異形柱的研究尚處在起步階段，對其耐火極限的研究更是空白，由此可見對型鋼混凝土耐火極限的研究有著非常重要的意義。希望本文對以后各位學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:哈爾濱工業大學土木工程學院，2010.

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

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

［6］黃時飛，唐貴和，趙良恒.三面受火高強混凝土柱耐火極限研究［J］.工程結構，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］.工程結構，2008，25(11):70-77.

［8］張 彬.鋼管混凝土柱耐火極限的研究［D］.上海:同濟大學碩士學位論文，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:蘇州科技學院碩士學位論文，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:蘇州科技學院碩士學位論文，2011.

［11］吳 波，徐玉野.鋼筋混凝土T形柱的耐火極限研究［J］.土木工程學報，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］.華僑大學學報，2010，31(2):118-223.