鋼筋混凝土構件抗火性能研究進展

王科

山東建大建筑規劃設計研究院

鋼筋混凝土構件抗火性能研究進展

王科

山東建大建筑規劃設計研究院

基于近年來對于鋼筋混凝土抗火性能的研究，本文主要對鋼筋混凝土構件抗火性能的研究現狀進行了總結，并對其研究方向進行了展望。

鋼筋混凝土；構件；抗火性能

1 前言

近幾年，隨著國民經濟的飛速發展以及城市化水平的進一步提高，人口稠密度越來越大，高層建筑也紛紛拔地而起，相應的，火災發生的頻率和危險性也越來越高，給人類的生命和財產造成了前所未有的損失。

據聯合國世界火災統計中心2000年資料，全球每年約發生火災600萬～700萬次，全球每年死于火災的人數65000～75000人。其中，建筑火災發生的次數最多，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，位于美國紐約曼哈頓的世界貿易中心（World Trade Center）兩座110層411m高的鋼結構大樓因飛機撞擊而引發倒塌，造成2830人死亡。經過美國聯邦緊急救援委員會（FEMA）等組織的調查研究，World Trade Center大樓倒塌其根本原因是飛機撞擊引發的建筑火災造成的。[1]

因此，研究建筑火災，特別是占主導地位的鋼筋混凝土建筑結構的抗火性能意義十分重大，而對于鋼筋混凝土材料及構件的研究則是鋼筋混凝土結構研究的基礎。

國外對于鋼筋混凝土結構抗火研究始于20世紀50年代，主要研究機構有美國混凝土協會、歐洲國際混凝土協會等，研究內容為混凝土高溫材性，板、梁、柱等構件及框架的火災中及火災后的性能。

國內對于鋼筋混凝土結構的抗火研究則較晚，直至上世紀80年代中后期才開始對混凝土材性、構件和結構的受火性能進行研究[2-5]。

2 升溫曲線及溫度場

2.1 升溫曲線

升溫曲線即反應溫度隨時間變化的曲線。由于火災發展將經歷火災初起階段、火災全面發展階段和火災熄滅階段三個階段，影響溫度-時間曲線的因素很多，要準確預先確定火災發展過程（溫度-時間曲線）是困難的。因此，各國為了使火災試驗和研究有一個系統的標準，即增強可比性，紛紛制訂了標準升溫曲線。國際上很多國家和組織如：美國、英國、比利時、意大利、瑞士、日本等[1]都制訂了標準的室內火災升溫曲線。我國采用較多的是國際標準化組織（ISO）制訂的ISO834標準升溫曲線，表達式如下：

2.2 溫度場

進行建筑室內火災分析與研究，首先要建立反應火災時室內空氣溫度分布及其隨時間變化的模型。目前，常用的有區域模型（Zone Model）和場模型（Field Model）。區域模型是一種理想模型，在區域分層內部假設各參數均勻一致，而場模型是對所研究的空間進行離散，用數值方法求解出火災各時刻的狀態參數（溫度、速度、組分的濃度、力的大小等）在空間中的分布，也就是場的概念。

3 構件的抗火研究

建筑構件的抗火研究是建筑結構抗火研究的基礎，國內外學者研究的比較多的有柱、梁、板等，而對于節點的研究則是發展方向。

3.1 鋼筋混凝土柱

柱是建筑結構主要的承重構件，其重要性不言而喻。抗震設計中“強柱弱梁”的設計原則便充分體現了這一點。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度決定，偏壓柱則主要因側向撓度過大而失效。如處于非均勻受火狀態，其溫度往往不均勻。在高溫下，高溫區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（或相對低溫區）承擔，如受火不均勻，軸壓柱在高溫下往往處于實際的偏心狀態，即強度中心與幾何中心不重合，對受力不利。吳波等通過對5根高強混凝土柱和2根普通混凝土柱的明火試驗，考察了不同受火方式對混凝土柱破壞形態、軸向變形和耐火極限的影響。[6]結論如下：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混凝土柱的耐火極限遠低于普通混凝土柱；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混凝土柱。另外研究還發現，柱在恒載升溫情況下的承載力高于恒溫加載，其它試驗方法承載力介于兩者之間。原因可能是由于恒載對于構件的變形和裂縫發展有一定的約束作用。

3.2 框架節點

現代鋼筋混凝土結構中，對于構件抗火性能研究已經做了大量的工作，而對于火災下及火災后鋼筋混凝土框架節點的研究鮮見文獻。對于梁柱節點在高溫下的性能研究，也多為非混凝土構件。如1976年法國的Kruppa進行了鋼節點的火災試驗研究，隨后英國鋼鐵公司在1982年完成了類似的實驗研究工作，他們主要考察高強螺栓在火災下的工作性能。Lawson進行了8個十字形梁柱節點在ISO-834標準升溫曲線控制的火災作用下的實驗。Wang和Davies報到了8個鋼梁和矩形鋼管混凝土柱節點在火災下性能的實驗研究成果，節點連接采用的是外伸式端板連接等。國內清華大學、福州大學等對鋼管混凝土梁柱節點進行了比較深入的研究。霍靜思等對火災后鋼管混凝土柱-鋼梁節點的滯回性能進行了研究，結論如下：節點強度退化不明顯，即使達到破壞荷載通常仍能繼續承受荷載；鋼管混凝土柱-鋼梁節點具有較好的延性和抗震耗能能力，隨著柱軸壓比的增大，節點的延性降低，耗能能力變化不大；節點域的剪切變形對結構變形的影響可忽略不計。

國內對于火災下及火災后鋼筋混凝土梁柱節點的研究鮮有報道，僅傅傳國、王廣勇等在山東建筑大學火災實驗室進行了鋼筋混凝土框架節點在火災中及火災后的試驗研究。研究現已得出初步結論：提出了框架節點在ISO-834標準升溫曲線作用下的溫度場分布規律、變形規律、破壞規律（節點核心區的溫度較梁柱截面溫度低；梁內端附近首先破壞的截面沒有發生在梁柱相交的最大彎矩截面，而是向外移動了一段距離，因為核心區溫度低于梁中部溫度，所以截面向高溫的外部移動；梁底部的裂縫開展較寬，梁截面的破壞形態為彎曲破壞，而沒有發生剪切破壞）；軸向壓力增加使截面的延性降低，升溫時間的延長使截面的延性增加；單室火災下，升溫過程中各截面發生明顯的內力重分布，受火梁柱的熱膨脹是結構內力變化的主要原因，柱端彎矩的內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點的耐火性能研究打下堅實的基礎。

4 結語

隨著國民經濟的飛速發展，對于建筑抗火性能的要求也越來越高，研究及發展建筑構件及結構的抗火性能，特別是廣泛應用的鋼筋混凝土結構的抗火研究越來越受到人們的重視。鋼筋混凝土構件的抗火性能研究已經有據可循，但梁柱節點的研究才剛剛起步，將成為下一步的研究重點。節點及構件是組成鋼筋混凝土結構的部件，對其科學系統的研究，必定為框架結構等在火災中及火災后的力學性能和抗火設計方法的研究奠定基礎。

[1]李國強,韓林海,樓國彪,蔣首超.鋼結構及鋼-混凝土組合結構抗火設計[S].中國建筑工業出版社.

[2]時旭東,過鎮海.高溫下鋼筋混凝土受力性能的試驗研究[S].清華大學,2000(6).

[3]過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[S].清華大學出版社.

[4]張智梅,葉志明,劉濤.鋼筋混凝土結構抗火研究進展[J].自然災害學報,2005(1).

[5]劉利先,呂龍,劉錚,王海瑩.高溫下及高溫后混凝土的力學性能研究[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驗研究[J].2006(6).