談鋼—混凝土組合結構耐火性

陳萬昊 齊國強 李 騰

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院,山東 青島 266590； 2.青島太昊工程測試有限公司，山東 青島 266590)

談鋼—混凝土組合結構耐火性

陳萬昊1齊國強2李 騰1

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院,山東 青島 266590； 2.青島太昊工程測試有限公司，山東 青島 266590)

簡要介紹了鋼—混凝土組合結構的形式、優勢及其抗火性能，運用ANSYS軟件，分析了鋼管混凝土的截面溫度場分布，體現了其優越性，并總結了常見的耐火保護方法，以供參考。

鋼—混凝土，鋼管，溫度場，耐火性

自人類建筑開始發展之日起，無數的自然以及人為災害都是困擾建筑人士和廣大居民的一個重大問題。相對于自然災害，各種由于管理不善或者粗心造成的災害更應引起人們足夠的重視，火災作為一個常見的災害，每年都會帶走無數寶貴的生命，對人們的生命財產造成不可估量的損失。火災的發展過程已經被人們所熟知。自火災開始發生直到火災結束的全過程大致可分為起始、旺盛、衰退三個階段。而在這一系列的過程中主要是通過第二階段火場的快速升溫以及火焰的蔓延對建筑結構的各種承重構件諸如梁、柱等造成嚴重傷害甚至使承重構件退出工作導致建筑物倒塌。隨著鋼—混凝土組合結構在建筑工程中的使用越來越普遍同時也越來越廣泛，此類結構的防火安全問題也逐漸進入廣大建筑行業人士的視線范圍內。

鋼—混凝土組合結構作為新興的一種新型的承重構件與目前在各種建筑中廣泛使用的鋼筋混凝土構件相比主要是添加了鋼材這種材料，使得兩種材料共同受力、相互約束進而達到承載能力的提升。建筑人士普遍承認混凝土構件在加入型鋼或鋼管等材料后力學性能會得到大幅提升,由于同時具備了混凝土的抗壓性能并且有鋼管的約束作用，在相同條件下普通鋼筋混凝土已經退出工作時鋼—混凝土組合結構仍舊具有相當程度的承載力，所以受到了工程界的普遍重視和青睞,采用這種新型組合結構的建筑不斷涌現,技術也在不斷提升，大部分取得了良好的建筑效果和經濟效益,其典型的截面形式主要有方形、圓形、矩形等幾種形式，如圖1所示。目前,有些學者在鋼—混凝土組合結構領域也在不斷創新，不但開始對中空夾層鋼管混凝土(主要是在同心放置的內外兩層鋼管之間澆灌混凝土進而形成的構件)開始研究,還對雙層實心鋼管混凝土構件(與中空夾層鋼管混凝土鋼管相比沒有中空部分，中心有核心混凝土)進行研究，使得鋼—混凝土結構不斷發展。現今建筑行業對于承重能力好，抗火性能高的建筑材料和構件的追求從未停止過，而這種新形式的組合構件的出現同時具備了承重能力好、自重輕、耐火性更加優良等優點。除此之外,鋼—混凝土組合結構的組合形式更加靈活多樣，例如在其中加入型鋼就變成了型鋼混凝土柱或者型鋼混凝土梁，外加鋼管就變成了鋼管混凝土柱等。現在建筑行業主要是使用在混凝土中配置型鋼(如工字鋼、鋼管等)、鋼筋等經過長期發展并且技術較為熟練的方式,利用這種方法做出的梁或柱的受力性能相較于鋼和混凝土兩種材料的簡單疊加同樣有較大優勢。

作為一種由多種材料組成的構件，想要了解鋼—混凝土結構的受熱性能就必須對它的各個組成有一定的了解。相對而言鋼材一般是在構件的外部，因此對于鋼材的了解必須放在第一位。普通鋼結構構件在達到屈曲強度時會產生較大的塑性變形,這種塑性變形十分明顯，使用肉眼就可輕易觀察和識別。多年來，經過大多數建筑以及科研人員的研究,普通鋼材在溫度低于600 ℃并且處于恒定荷載作用下時,材料的變形過程可以考慮為不依賴于時間的過程,在這種情況下，鋼材的徐變對于構件的影響可以包括在應力—應變關系中(圖2是高溫下某低碳鋼的應力—應變曲線)。在起始溫度為20 ℃時,該低碳鋼能承受280 N/mm2左右的應力，此時應變約為2.0 mm;當溫度達到600 ℃的臨界溫度時,應變同樣為2.0 mm時,只能承受約55 N/mm2的應力,兩相對比差了大約5倍。由此可以看出,要使鋼結構構件的承載能力得到充分有效的發揮，鋼材溫度的控制就成了必須解決的問題。

其次，對于混凝土這種材料而言，其承受豎向荷載的能力相對較強而抗拉效果卻非常之差，因此一般構件都將混凝土作為承重構件。在火災作用下的混凝土在溫度達到400 ℃以上時由于溫度的原因其力學性能會嚴重惡化。并且當構件受火時受火截面溫度隨周圍環境溫度變化迅速升高，但由于混凝土是一種熱惰性的材料，其內部溫度增長則會相對緩慢一些，其結果就是在截面上形成不均勻溫度場，并且溫度梯度的變化也不均勻，進而使截面應力重分布。以上這些變化都會使結構的安全性大打折扣，當情況嚴重時甚至會導致結構失效進而造成各種安全事故。

鋼—混凝土組合結構具有很多形式，在本文中主要是選擇了鋼管混凝土柱作為代表進行了火災下截面溫度場的分析?，F在以含鋼率均為0.1的兩種鋼管混凝土按照ISO 834升溫曲線施加溫度并分析其截面溫度場分布，借以對比兩者的性能差異。兩試件尺寸分別為300×17與300×5+200×3。在使用ANSYS軟件分析時，根據我國《建筑構件耐火試驗方法》的規定,將火焰的溫度變化過程按照ISO 834標準升溫曲線進行設計,其表達式為:

Tg-T0=345lg(8t+1)。

其中,Tg為火場溫度；T0為環境初始溫度;t為升溫時間，min。圖3是兩種鋼管混凝土在標準升溫曲線下經過2 h后的截面溫度場分布，并給出了兩種鋼管混凝土柱處于相同位置的節點上的升溫曲線(基本位于內層鋼管處)(見圖4)。

由圖3中兩種截面溫度場分布圖可以看出，最外層鋼管由于直接與火焰接觸所以溫度上幾乎沒有差別。但可以明顯的看出溫度變化上雙鋼管混凝土升溫較為緩和且比單層鋼管混凝土溫度低。由鋼管截面溫度場分布可以看出，雙鋼管混凝土最低溫度出現在核心混凝土的中心，約為264 ℃，相對而言單層鋼管混凝土最低溫度雖然同樣處于核心混凝土的中心卻達到了306 ℃。從圖中也看出截面溫度場每個溫度階梯上雙鋼管混凝土相對于單層鋼管混凝土都要低一些。由升溫曲線可以了解到單層鋼管混凝土最終溫度約為680 ℃而雙層鋼管混凝土約為580 ℃。相差較為明顯且由于內層鋼管的出現，不僅影響混凝土內部的溫度分布，也對混凝土起到了約束作用，不僅增加了鋼管混凝土柱的火災作用下所能承受荷載的能力，同時也使得其力學性能更加優秀。

但是僅僅了解并不能夠解決鋼管混凝土耐火性的問題，雙鋼管混凝土柱相對于單層或鋼筋混凝土的高成本也是不可忽視的問題。因此出現了各種關于構建耐火保護的方法，以下是比較常見的方法：

1)隔熱法。這種方法顧名思義就是使用耐火性能好的材料如GF防火板等其他輕質的防火板材將構件在發生火災時容易暴露在火焰下直接受熱的部分進行包裹或者維護。這種方法的最大優點就是取材方便而且對施工技術要求不高，容易施工，價格較低，但由于增加了外部附加材料會比較笨重。

2)阻熱法。此種方法主要是通過在構建外表面加載附加構件，如在結構的頂部設計并且設置進行噴淋的供水網絡，或者是直接使用熱惰性的材料如使用現澆的混凝土、耐火性能穩定的防火建筑材料將容易在火災作用下受熱并產生損傷的承重構件或重要部分直接完全封閉，從而達到降低火災產生的熱量向構件傳輸的速率，甚至將火災對結構構件的熱傳遞直接隔斷，進而使構件溫度的提升速度減慢或者保持在一個可以接受的范圍，構件的溫度在要求規定的時間內不超過臨界溫度，自然不會發生破壞。位于美國的紐約賓館就采用的這種方法，效果良好。

3)導熱法。也就是傳統中的疏導法。這種方法比較生僻而且可選的方式單一，現今就只有充水保護這一種方法。且主要用于承重柱的防火，這種方法需要在柱子的外部加載附加組件用于注水，在火災發生時附加在構件上的組件會把吸收的熱量首先傳給水，此種方法主要是靠水的蒸發帶走本應傳遞給柱子的熱量，使得柱子的受火表面溫度始終保持在一個較低的水平。這種方法既可以將單獨的一根柱子設置上附加設備也可以由多根柱子共同組合形成循環系統。但是這種方法也存在很多弊端，首先無論是構件循環還是注水所花費的時間與技術都需要進行合理的規劃和設計，前期的投入會增大，在實際生產中不僅會很難實施，還必須定期對柱子補水，對循環系統進行維護，頗有些得不償失。

通過對于前面幾個圖例的分析可以清楚的表明雙鋼管混凝土柱在耐火方面比單層鋼管混凝土柱優良，當然也比鋼筋混凝土柱的抗火性能要高，但其復雜的施工條件與過高的成本注定了只有在大型建筑或超高層建筑中才會得以使用，高成本提供的必然是高安全，鋼—混凝土組合結構在隨著防火技術的進步，防火涂料等的不斷更新而走進新的時代。隨著當今科技的進步，鋼—混凝土組合結構將會越來越多的出現并快速發展，最終成為建筑結構中不可或缺的重要部分。

[1] Lie T T. Fire resistance of circular steel columns filled with bar reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(5):1489-1509.

[2] 韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004.

[3] ISO 834，Fire Resistance Tests Elements of Building Construction[S].

[4] 蘇榮華，梁 冰.工程結構分析ANSYS應用[M].沈陽：東北大學出版社，2012.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社,2007.

[6] DBJ 13—51—2003，鋼管混凝土結構技術規程[S].

[7] Han L.H., Tao Z.，Huang H., et al.Concrete-filled double skin steel tubular beam-columns[J].Thim-Walled Structures,2004,42(9):1329-1355.

On fire resistance of steel-concrete composite structure

Chen Wanhao1Qi Guoqiang2Li Teng1

(1.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.QingdaoTaihaoEngineeringMeasurementCo.,Ltd,Qingdao266590,China)

The paper briefly introduces the forms, advantages and fire resistance of the steel-concrete composite structure, adopts ANSYS software to analyze the section temperature field distribution of steel pipe concrete, reflects its advantages, and sums up common fire resistance protection methods, so as to provide some reference.

steel-concrete, steel pipe, temperature field, fire resistance

2014-11-20

陳萬昊(1988- )，男，在讀碩士； 齊國強(1989- )，男； 李 騰(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)04-0025-02

TU375

A