RC底框架結構中柱在火災中的截面破壞型式

屈立軍，李煥群，李勝利，王躍琴，史可貞

(武警學院，河北 廊坊 065000)

●消防理論研究

RC底框架結構中柱在火災中的截面破壞型式

屈立軍，李煥群，李勝利，王躍琴，史可貞

(武警學院，河北 廊坊 065000)

為評估RC底框架結構的耐火性能，利用實體火災試驗研究框架中柱的截面破壞型式。結果表明，底框架中柱在火災中可能發生3種破壞型式：斜壓破壞、壓潰破壞和彎曲破壞，并分別分析了3種破壞型式的發生條件。探討了軸心受壓柱高溫承載力計算公式的適應性，得出該計算方法可以適用于壓潰破壞和彎曲破壞型式，但不適用于斜壓破壞型式。

底框架中柱；火災；斜壓破壞；壓潰破壞；彎曲破壞

鋼筋混凝土底框架商住樓是指在建筑底部1～2層采用鋼筋混凝土框架體系，形成較大空間以作商業用房，在建筑上部2～10層采用磚混結構，常用作住宅。由于底框架結構造價較低，在非地震區中小城鎮應用非常廣泛。如2007至2010年間，湖南永州市共新建底框架商住樓為476棟，占新建建筑總數的35%。但是，底框架商住樓的耐火性較差，在火災中可能發生失效倒塌。因此，研究底框商住樓的耐火性能，分析揭示其結構的破壞機理，對提高我國建筑結構的抗災可靠度具有重要意義。

1 試驗建筑概況

圖1為試驗建筑照片。試驗共建造6棟相同建筑，采用碳骨料混凝土，41天抗壓強度為23.9 MPa。鋼筋采用HRB335,實際抗拉強度為353.3 MPa。梁、柱箍筋為HPB235。底部房間3.6 m×3.6 m×4.5 m(高)，采用單向框架，3根柱截面均為250 mm×250 mm,配4根16 mm鋼筋，Φ6@200箍筋。橫梁與板整澆，截面250 mm×500 mm，截面負鋼筋4Φ16，正鋼筋2Φ16，Φ6@200箍筋，樓板厚度120 mm，配10@200主筋(HPB235，雙向)，板上未加荷載。中柱四面受火，2根邊柱在磚墻內。磚墻厚度240 mm，MU10磚，M5水泥砂漿。為節省經費，底框架上部的磚混結構省略，采用3 m×3 m×2 m鋼筋混凝土水箱，試驗時注水對框架柱加載。試驗前3個月，對水箱注水，對地基進行了預壓。試驗建筑分別編號為1、2、3、4、5、6號，其中1號和3號建筑僅采用水箱加載，中柱的標準加載比率(軸力標準值/當天承載力標準值)分別為0.283和0.176，其余2號、4號、5號、6號共4棟建筑采用水箱和簡支鋼梁重力加載系統共同加載，中柱的標準加載比率分別為0.298,0.394,0.39,0.391。

試驗采用木方為燃料，點火后任其自由燃燒，直至結構失效倒塌。3號建筑因加載較小且火作用不夠大，未能按預期失效倒塌，試驗失敗。2號建筑第一次也未失效，第二次點火在轟燃后40 min中柱失效。4號建筑在轟燃后223 min中柱失效，簡支鋼梁所加荷載卸載，結構自重及水箱荷載由邊柱及墻體支撐，火持續20 min后建筑全部倒塌。5號建筑在轟燃后230 min中柱失效，6號建筑在轟燃后223 min中柱失效。1號建筑在轟燃后261 min中柱失效。1號、2號、5號、6號建筑中柱失效后，結構自重由邊柱和墻體支撐未倒，直到試驗結束后拆除。

圖1 試驗建筑照片

2 框架中柱的截面破壞型式

文獻[1]已詳細報告了火作用及結構的火反應，本文將主要報告和分析中柱的截面破壞型式。5次成功的倒塌試驗表明，框架中柱在重力荷載和溫度共同作用下，截面可能發生3種破壞型式：斜壓破壞、壓潰破壞和彎曲破壞。

2.1 斜壓破壞

斜壓破壞是指:破壞截面沿柱子軸線呈現一銳角角度斜向錯位，如圖2所示。

斜壓破壞發生的條件是：柱子承受的軸力適中，由于加載或結構情況，或四周受火不均勻造成柱子承受一定的剪力，在剪應力和豎向壓應力共同作用下，產生了與柱子軸線呈一定角度的主壓應力，如圖3所示。

當軸力和剪力產生的主壓應力σcp大于柱子混凝土的強度，造成沿主壓應力方向一致的斜向錯位破壞，斜壓破壞的內力分量是軸力和剪力。這種斜壓破壞型式在常溫混凝土柱的破壞試驗中很少出現。由于目前的混凝土柱的承載力計算模型一般是引入材料強度隨溫度的衰減后采用與常溫相同的模型，所以今后應進一步研究，建立適用于斜壓破壞型式的高溫承載力計算模式。

圖2 斜壓破壞

圖3 斜壓破壞截面應力狀態

2.2 壓潰破壞

壓潰破壞是指：沿柱子軸線一定高度被壓壞，縱向鋼筋壓屈，混凝土被壓碎，典型破壞形狀如燈籠狀，類似于常溫短柱的破壞形態，如圖4所示。

圖4 壓潰破壞

壓潰破壞發生的條件是：柱子所受軸力較大，四周受火較為均勻，柱子橫向變形很小。當軸向壓力大于柱子正截面鋼筋和混凝土的承載力時，在柱子某一薄弱截面產生破壞，混凝土被壓碎，縱向鋼筋外屈，形似燈籠狀，這與混凝土短柱的常溫破壞試驗非常相似。造成壓潰破壞的內力分量只有軸力。圖4中2號樓中柱的標準加載比率為0.298,但該破壞是在受第二次火作用下發生的，當混凝土在第一次火作用中，其強度已受到較大損傷，實際加載比率要大幅度增加。

2.3 彎曲破壞

彎曲破壞是指：破壞截面一側受拉鋼筋屈服，另一側鋼筋受壓屈服，混凝土被壓碎，類似于常溫長柱的破壞形態，如圖5所示。

彎曲破壞發生的條件是：柱子所受軸力較小，彎矩較大，柱子某個面及其對面受火很不均勻，兩側溫差大，破壞前柱子橫向變形明顯增大。造成柱子彎曲破壞的內力分量是彎矩和軸力。本試驗研究1號樓中柱是在圖示箭頭所示截面破壞后，引發了柱子下部分另一截面破壞，所以圖5(b)顯示了2個截面的破壞。

(a)破壞前 (b)破壞后圖5 彎曲破壞

3 軸心受壓柱高溫承載力計算公式的適應性

由于鋼筋混凝土框架中柱通常所受彎矩較小，其高溫承載力一般按軸心受力構件計算[2]。軸心受壓構件在高溫下正截面達到其承載力極限狀態時[3]，鋼筋和混凝土均達到其高溫下的設計強度，截面受力簡圖如圖6所示。承載力計算公式為：

圖6 軸心截面受壓計算簡圖

上式實際上套用了常溫軸心受壓構件的承載力計算公式，是以短柱為基礎，認為縱向鋼筋和混凝土都達到了各自的抗壓強度，然后引入縱向穩定系數以考慮長柱的縱向彎曲效應。由于壓潰破壞機理與常溫短柱相同，而彎曲破壞機理與常溫長柱相同，引發其破壞的內力分量是軸力和彎矩，計算公式中已經考慮了軸力和彎矩的影響(彎矩影響以穩定系數φ間接體現)，所以用類似于常溫承載力的計算方法來計算壓潰破壞和彎曲破壞型式的高溫承載力是合理的。但斜壓破壞的破壞機理明顯不同于壓潰破壞和彎曲破壞，引發斜壓破壞的內力分量是軸力和剪力，所以類似于常溫承載力的計算方法不適用于斜壓破壞情況。

4 結論與建議

鋼筋混凝土中柱在火災中可能發生3種破壞型式：當柱子所受剪力和軸力較大時發生斜壓破壞，當柱子所受剪力較小而軸力較大且四周受火均勻時發生壓潰破壞，當柱子所受軸力較小而彎矩較大或對面受火不均勻時發生彎曲破壞。

鋼筋混凝土軸心受力構件的常溫計算方法可以適用于壓潰破壞和彎曲破壞型式，但不適用于斜壓破壞型式，建議研究新的計算公式以考慮可能的斜壓破壞。

[1] 屈立軍，彭天國，李勝利,等.鋼架混凝土底框架結構框架中柱耐火性能試驗研究[J].土木工程學報,2011,44(2)：50-57.

[2] 宋玉普，王清湘.鋼筋混凝土結構[M].北京：機械工業出版社,2004：117-119，187-189.

[3] 屈立軍，李勝利，李煥群,等.底框架結構的耐火極限數值分析[J].消防科學與技術,2011,30(7)：557-562.

(責任編輯 馬 龍)

Section Failure Mode of RC Bottom Frame Interior Column in Fire

QU Lijun, LI Huanqun, LI Shengli, WANG Yueqin, SHI Kezhen

(TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In order to evaluate the fire resistance capability of RC bottom frame, the section failure mode of its interior column had been studied, using the real fire tests. The results show that: There would be 3 kinds of section failure modes of interior column of bottom frame under fire, diagonal compression failure, crush failure, flexure failure, and analyses the condition that occur three kinds failure modes respectively. The thesis discussed adjustability of the calculate formula of which the carrying capacity for axes-compressed column under high temperature, the calculate method only fit with the modes of crush failure and flexure failure, but not suit for the modes of diagonal compression.

interior column of bottom frame; fire; diagonal compression failure; crush failure; flexure failure

2015-02-28

國家“十一五”科技支撐計劃項目“典型社會公共場所突發事件應急處置關鍵技術研究”子專題“底框架商住樓在火災中倒塌時間預測研究”(2006BAK06B05-1)

屈立軍(1957— )，男，陜西商州人，教授，從事建筑結構耐火設計與評估研究和教學工作； 李煥群(1974— )，男，湖南邵東人，副教授； 李勝利(1975— )，男，河南商丘人，副教授； 王躍琴(1978— )，女，天津靜海人，副教授； 史可貞(1985— )，男，陜西興平人，講師。

TU375.4；D631.6

A

1008-2077(2015)06-0005-04