型鋼混凝土柱抗火性能研究

摘要：型鋼混凝土結構的應用日益廣泛，關于其常溫下的力學性能研究較多，而有關型鋼混凝土結構抗火性能方面的研究較少。在火災作用下，結構內部產生溫度場，鋼材和混凝土在高溫下材料力學性能惡化。型鋼混凝土結構在火災下和常溫下的承載力和變形有很大不同。在對比分析各學者提出的材料高溫力學性能的基礎上，選取合適的力學性能參數，利用ABAQUS建模，模擬型鋼混凝土柱在火災下的受力情況。

關鍵詞：火災型鋼混凝土柱高溫力學性能數值模擬

ResearchontheFireResistancePerformanceofSteelReinforcedConcreteColumns

ZHANGQingwen

JiaxingVocationalandTechnicalCollege，JiaxingCity，ZhejiangProvince，314036China

Abstract：Theapplicationofsteel-reinforcedconcretestructuresisbecomingincreasinglywidespread.Therehasbeenmanyresearchontheirmechanicalpropertiesatnormaltemperatures，butfewstudiesontheirfireresistance.Undertheactionoffire，atemperaturefielddevelopsinsidethestructure，andthemechanicalpropertiesofsteelandconcretedeteriorateathightemperatures.Thebearingcapacityanddeformationofsteel-reinforcedconcretestructuresaresignificantlydifferentunderfireandatroomtemperature.Basedonthecomparativeanalysisofthehigh-temperaturemechanical&nbIaQFWUjbCDFV3Sa9TK194g==sp;propertiesofmaterialsproposedbyvariousscholars，thispaperselectsappropriatemechanicalpropertyparametersandusesABAQUStosimulatethemechanicalbehaviorsofsteel-reinforcedconcretecolumnsunderfire.

KeyWords：Fire;Steel-reinforcedconcretecolumn;High-temperaturemechanicalproperties;Numericalsimulation

隨著建筑物高度的增加，使用電器的增多，建筑火災已經成為危害人民生命財產安全和城市公眾安全的主要災害之一。高樓建筑火災情況復雜，人員疏散困難，火災撲滅難度較大。2018年“8·25”哈爾濱酒店火災事故大火持續燃燒3.5h[1]；2021年大連市凱旋國際大廈發生火災，大火持續燃燒7h[2]。火災作用下，建筑材料承載力下降，力學性能不斷惡化，可能造成建筑物局部損壞甚至整體倒塌[3]。過火后，建筑物的力學性能需要進一步評估以確定加固方案。型鋼混凝土是由型鋼、鋼筋和混凝土組成協同工作的一種結構形式，具有良好的承載力和抗震性能，剛度大，經濟效益較好，得到了越來越廣泛的應用[4]。本文對鋼材和混凝土的火災力學性能進行了分析，建立了鋼筋混凝土柱的溫度場模型[5]。在此基礎上，進一步模擬分析型鋼混凝土軸壓柱在高溫作用下的力學性能。

1鋼材和混凝土高溫力學性能

發生火災時，在熱對流、熱幅射和熱傳導等物理作用下，建筑結構內部產生溫度場。混凝土和鋼材隨著溫度的變化，力學性能也發生改變。確定混凝土和鋼材的高溫力學性能對研究型鋼混凝土柱在火災下的承載力、變形情況和抗震性能等力學表現至關重要。

1.1鋼材的高溫力學性能

1.1.1鋼材屈服強度

鋼材的屈服強度隨溫度升高而下降，溫度升到500℃左右時鋼材屈服強度下降到常溫時的一半。通常用屈服強度降低系數來表示屈服強度隨溫度的變化情況。屈服強度降低系數指的是高溫下鋼材的屈服強度與常溫下鋼材的屈服強度的比值。根據歐洲規范EC3與EC4、澳大利亞鋼結構標準AS4100、歐洲鋼結構協會ECCS給出的計算公式，繪制鋼材的屈服強度降低系數曲線圖如圖1所示。

1.1.2鋼材彈性模量

鋼材的彈性模量隨溫度升高而下降，溫度超過500℃左右時，鋼材彈性模量急劇下降，大約在800℃時降為0。彈性模量降低系數指的是高溫下鋼材初始彈性模量與常溫下鋼材的彈性模量的比值。根據歐洲規范EC3與EC4、澳大利亞鋼結構標準AS4100、歐洲鋼結構協會ECCS給出的計算公式，繪制鋼材的彈性模量降低系數曲線圖如圖2所示。

1.1.3鋼材應力-應變關系

鋼材的應力-應變曲線大致分為分段直線型和光滑曲線型兩類。其中，光滑曲線模型更加接近真實的應力-應變關系。本文根據LIE[6]提出的高溫下鋼材應力-應變表達式，繪制不同溫度下鋼材的應力-應變曲線如圖3所示。

1.2混凝土的高溫力學性能

1.2.1混凝土抗壓強度

混凝土主要用來抵抗壓力，抗拉強度較小。在高溫下，混凝土的抗壓強度隨溫度升高而下降，溫度升到900℃以上時，混凝土幾乎喪失了抗壓能力。通常用混凝土抗壓強度降低系數來表示混凝土的抗壓強度隨溫度的變化情況。混凝土抗壓強度降低系數指的是高溫下混凝土的抗壓強度與常溫下混凝土抗壓強度的比值。根據EC3與EC4，以及LIETT等人[6]、過鎮海等人[7]給出的計算公式，繪制混凝土的抗壓強度降低系數曲線圖如圖4所示。

1.2.2混凝土彈性模量

混凝土的彈性模量比抗壓強度受溫度影響更大，溫度在200～300℃之間時，彈性模量降低一半。根據過鎮海等人[7]、陸洲導[8]、鈕宏等人[9]、李引擎等人[10]給出的計算公式，繪制混凝土的彈性模量降低系數曲線圖如圖5所示。

1.2.3混凝土應力-應變關系

混凝土的應力-應變曲線隨著溫度升高呈現扁平化趨勢，高溫下混凝土的峰值應力減小，應變增大。本文根據LIE[6]提出的高溫下混凝土的應力-應變表達式，繪制不同溫度下混凝土的應力-應變曲線如圖6所示。

2火災下型鋼混凝土軸壓柱力學模型

利用大型有限元軟件ABAQUS建模，混凝土采用實體單元，型鋼采用殼單元，鋼筋采用桿單元。賦予材料熱工性能參數，考慮熱對流、熱幅射和熱傳導的作用，計算型鋼混凝土柱在ISO-834標準升溫曲線下的溫度場。然后，把溫度場導入型鋼混凝土軸壓柱的力學模型中，模擬火災中型鋼混凝土軸壓柱的受力情況。火災下，柱子外圍升溫較快，內部升溫慢，內力發生重分布。

3結論

基于本文的研究成果，可以得到以下結論：（1）火災作用下鋼材和混凝土的力學性能均有不同程度的劣化。火災時間越長，溫度越高，材料的強度下降越明顯。（2）大型有限元軟件ABAQUS可用來模擬高溫下型鋼混凝土柱的受力過程。火災中型鋼混凝土柱內力發生重分布，柱子承載力大幅下降。

參考文獻：

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[2] 張瑩.大連“門”形高樓大火系電動平衡車充電引發，大廈住戶已獲3個月房屋安置金[EB/OL].（2021-09-13）[2024-04-13].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1710757561095643841&wfr=spider&for=pc.

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[9] 鈕宏，馬云風，姚亞雄.輕骨料混凝土構件抗火性能的研究[J].建筑結構，1996，7：29-33.

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