初始缺陷對(duì)鋼—混組合梁抗火性能影響研究綜述

鄭志遠(yuǎn) 張?jiān)ｅ\ 胡俊峰

(中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北 武漢 430040)

火災(zāi)是現(xiàn)代社會(huì)中較為常見的一種災(zāi)害，室內(nèi)火災(zāi)其溫度一般可達(dá)800 ℃～1 000 ℃，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載性能有很大的負(fù)面影響。一旦建筑物發(fā)生火災(zāi)，梁柱構(gòu)件的抗火性能是整體建筑穩(wěn)定的重要保障與前提，若建筑自身有一定的抗火能力，則能夠給予人們充足的時(shí)間進(jìn)行疏散與逃離，故對(duì)其進(jìn)行抗火研究是十分有必要的[1，5]。在實(shí)際工程中，構(gòu)件由于受到制作、加工、運(yùn)輸及安裝等因素的影響，鋼梁會(huì)產(chǎn)生一定的缺陷，這些缺陷對(duì)鋼梁的抗彎剛度及極限承載力產(chǎn)生一定影響，其中影響較大的缺陷主要是初始幾何缺陷(初彎曲、初偏心等)和殘余應(yīng)力(熱軋、焊接、火焰切割等)[2]。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)不能忽略，尤其是高溫下組合梁的抗彎剛度會(huì)顯著降低，此時(shí)初始缺陷對(duì)其影響可能更為不利。因此，對(duì)帶有初始缺陷的預(yù)應(yīng)力組合梁進(jìn)行抗火性能研究很有意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 初始缺陷對(duì)鋼梁的受力性能影響

對(duì)鋼梁影響較大的初始缺陷一般是初始幾何缺陷與力學(xué)缺陷，其中初始幾何缺陷是構(gòu)件產(chǎn)生一定的初彎曲、初扭轉(zhuǎn)及初偏心，力學(xué)缺陷是指鋼梁縱向的殘余應(yīng)力[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶有初始缺陷鋼梁的受力性能進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，梁的結(jié)構(gòu)形式包括等截面與變截面H型梁、波紋腹板H型鋼梁以及冷彎薄壁腹板開孔C型鋼梁等；受力性能如鋼梁抗彎、抗剪以及穩(wěn)定承載力等，并取得了一定成果，研究表明：

1)初始幾何缺陷對(duì)H型(鋼)梁和C型(鋼)梁的穩(wěn)定性能有一定影響，其影響幅度主要取決鋼梁的破壞形式，而梁的破壞形式一般也與結(jié)構(gòu)形式有關(guān)[4]；2)鋼梁腹板和翼緣越薄則初始缺陷的敏感性越強(qiáng)[5]；3)相比于普通鋼，殘余應(yīng)力對(duì)高強(qiáng)鋼梁承載性能的影響更為不利[6]；4)殘余應(yīng)力的分布模式也受鋼梁截面形式的影響，截面形式不同殘余應(yīng)力發(fā)揮的效應(yīng)也不同，一般殘余應(yīng)力會(huì)使鋼梁過早的進(jìn)入塑性，容易使鋼梁發(fā)生局部畸變失穩(wěn)破壞，從而降低了梁的穩(wěn)定性能和承載能力[7]；5)初始幾何缺陷對(duì)波紋腹板鋼梁抗剪性能的影響較小，但對(duì)翼緣的彈塑性屈曲承載能力起到一定不利影響[8]；6)初始幾何缺陷越大，高溫下波紋腹板鋼梁的側(cè)向剛度越弱，臨界溫度越低[9]。

1.2 初始缺陷對(duì)普通組合梁受力性能的影響

初始缺陷對(duì)組合梁受力性能影響方面的研究則相對(duì)較少。大多數(shù)學(xué)者將研究目標(biāo)集中在常溫和高溫下組合梁的抗彎性能上，并做了一定試驗(yàn)和大量參數(shù)分析，僅少部分學(xué)者考慮了初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力對(duì)組合梁常溫下受力性能的影響[10,11]，而對(duì)在高溫下帶有初始缺陷組合梁的受力性能尚未作出系統(tǒng)研究。

1.3 初始缺陷對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁受力性能研究

預(yù)應(yīng)力組合梁作為一種新型結(jié)構(gòu)在許多超高層建筑以及大跨度橋梁中備受青睞，對(duì)于預(yù)應(yīng)力組合梁在常溫下的受力性能已有部分相關(guān)研究：

1)抗彎性能。相關(guān)文獻(xiàn)[12][13]通過試驗(yàn)與理論分析的方法，分析了預(yù)應(yīng)力變化、內(nèi)力重分布效應(yīng)、滑移變形、曲率分布規(guī)律、應(yīng)力分布模式和塑性鉸形成特性等。文獻(xiàn)[14]通過試驗(yàn)研究了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土板組合梁的彎曲性能，肋板放置方向、配筋率、重疊寬度對(duì)組合梁的彎曲性能有一定影響，混凝土板厚與栓釘鏈接程度的影響較小。文獻(xiàn)[15][16]通過試驗(yàn)與理論分析的手段，分析了組合梁內(nèi)力重分布的過程及拉索對(duì)負(fù)彎矩區(qū)抗彎剛度的影響，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力的施加能顯著提高梁的截面彎曲剛度，緩解負(fù)彎矩區(qū)混凝土板裂縫的發(fā)展，抗剪鏈接程度對(duì)組合梁的抗彎性能也有一定影響。文獻(xiàn)[17]通過試驗(yàn)手段研究了內(nèi)置H型鋼預(yù)應(yīng)力組合梁的彎矩重分布規(guī)律，并提出了帶有相關(guān)彎矩調(diào)幅系數(shù)的承載力計(jì)算公式。文獻(xiàn)[18]對(duì)采用試驗(yàn)手段分析了預(yù)應(yīng)力型鋼超高強(qiáng)混凝土組合梁的破壞形態(tài)與機(jī)理，認(rèn)為梁破壞時(shí)仍具有一定的剩余承載力，并提出了預(yù)應(yīng)力型鋼超高強(qiáng)度混凝土組合梁正截面受彎承載力計(jì)算公式。2)屈曲性能。文獻(xiàn)[19]采用有限元方法研究了常溫下預(yù)應(yīng)力組合梁的整體與局部受力性能及整體失穩(wěn)和負(fù)彎矩區(qū)局部屈曲等復(fù)雜特性。3)撓度性能。文獻(xiàn)[20]對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土組合梁長期撓度效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析，認(rèn)為施加預(yù)應(yīng)力在較大程度上可減小組合梁的附加撓度，初始有效預(yù)應(yīng)力值越大，組合梁的跨中附加撓度也越小。

2 現(xiàn)今研究存在的問題

綜上所述，目前對(duì)于高溫下預(yù)應(yīng)力組合梁受力性能的相關(guān)研究非常稀少，僅有文獻(xiàn)[21][22]通過試驗(yàn)手段與有限元方法等對(duì)高溫下體外預(yù)應(yīng)力簡支與連續(xù)組合梁進(jìn)行了參數(shù)分析，提出了合理的預(yù)應(yīng)力簡支組合梁在高溫下的受力模型；在對(duì)帶有初始缺陷的預(yù)應(yīng)力組合梁的抗火性能研究更需開展。

3 展望

1)目前還沒有學(xué)者對(duì)此做過相關(guān)試驗(yàn)，尤其是對(duì)于初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力的施加與測量在實(shí)際中有一定困難。若條件允許，可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，了解初始缺陷對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁在火災(zāi)下的真實(shí)力學(xué)響應(yīng)。2)鋼材等級(jí)不同，初始幾何缺陷對(duì)組合梁性能的影響也不同。同時(shí)相關(guān)研究表明，高強(qiáng)鋼H型鋼殘余應(yīng)力分布模型也與普通鋼不同，因此對(duì)高強(qiáng)鋼—混凝土組合梁的研究也很有意義。3)在實(shí)際工程中，波紋腹板及腹板開洞組合梁的應(yīng)用也比較廣泛，高溫下初始幾何缺陷對(duì)其影響可能會(huì)更為顯著，在今后研究中也有必要展開相關(guān)工作。