鋼筋混凝土柱在不同受火方式下的耐火綜述

馬穎慧 劉少杰 孫恩輝

【摘 要】本文閱讀了大量的關(guān)于鋼筋混凝土柱的抗火試驗，因此對這些成果進(jìn)行了綜述。首先，分析了在不同條件下鋼筋混凝土柱的耐火性能，例如在高溫作用時和作用后的受力性能。其次，分析了大量試驗數(shù)據(jù)，確定了影響鋼筋混凝土抗火性能的影響因素，例如：（1） 溫度和受火時間；（2） 受火方式；（3） 截面尺寸；（4） 混凝土強(qiáng)度、骨料種類；（5） 軸壓比和荷載偏心距；（6）縱向配筋；（7）混凝土保護(hù)層的厚度、長細(xì)比、箍筋、柱端約束等。其后，介紹了用軟件計算鋼筋混凝土的抗火性能的方法，希望在以后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火試驗中提供有意義的參考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；不同受火方式；試驗研究；軟件實現(xiàn)

前言

在鋼筋混凝土建筑中，鋼筋混凝土柱的抗火性能對結(jié)構(gòu)的安全性影響很大。因為鋼筋混凝土柱是重要的承重構(gòu)件，它的破壞可能導(dǎo)致建筑物局部或整體的破壞，而且結(jié)構(gòu)破壞后很難修復(fù)。所以對鋼筋混凝土柱在不同受火方式下的抗火研究非常重要。

一、試驗研究

吳波[1] ，對5根足尺的高強(qiáng)混凝土柱和2根普通的混凝土柱在不同受火方式下的破壞形態(tài)，耐火極限和軸向變形的分析，得出結(jié)論：（1） 四面受火柱的耐火極限最低，其次是三面受火，兩面受火柱的耐火極限明顯強(qiáng)于那兩種；（2）相同軸壓比的普通混凝土柱和高強(qiáng)混凝土柱在相同受火方式的情況下，前者的耐火極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者；（ 3） 混凝土柱在相同受火方式的情況下，在一定范圍內(nèi)軸壓比越大耐火極限越小。在實際工程中，應(yīng)充分考慮鋼筋混凝土柱的受火方式、強(qiáng)度等級和軸壓比。

呂學(xué)濤[2] ，方形鋼管鋼筋混凝土柱在單面、對面、三面和四面受火的情況下，對其截面的溫度場和分布規(guī)律進(jìn)行分析。研究其側(cè)向變形和時間關(guān)系曲線。得到鋼管鋼筋混凝土柱在不同受火條件下的抗火性能的規(guī)律。分析結(jié)果為，鋼管鋼筋混凝土柱因截面材料相同、溫度應(yīng)變和應(yīng)力對稱，其在對面和四面受火的情況下，其截面溫度場雙軸對稱，與柱在常溫下的受力原理類似；鋼管鋼筋混凝土柱在單面和三面受火的情況下，其截面溫度場關(guān)于一個對稱軸對稱，從而使柱受力方式與常溫時受力不同，在受火時，柱先向受火的方向彎曲再向背火測彎曲。受火面積比非均勻的溫度變形和材料強(qiáng)度偏心對柱的抗火性能影響巨大。在一般情況下，方鋼管混凝土柱的耐火極限在單面、對面、三面、四面受火時一次減小。但是在有些情況下，（ 如長細(xì)比 λ < 30） ，鋼管混凝土柱在三面受火時的耐火極限小于四面受火。對鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計時應(yīng)多加注意。

李俊華[3] ，對型鋼混凝土柱的截面溫度場在不同受火條件下進(jìn)行分析，做14組單面、對面、鄰面、三面、四面抗火性能試驗。并且對不同受火方式、荷載偏心率、火荷載比約束剛度等進(jìn)行分析，確定對型鋼混凝土柱抗火性能的影響。結(jié)果表明： 型鋼混凝土柱的溫度應(yīng)力場受受火位置和面數(shù)的影響，相同的升溫時間，隨著柱受火面數(shù)的增加截面相同位置經(jīng)歷的最高溫度依次增加；在試件同距離受火時，腹板外側(cè)溫度比翼緣略低。軸向的膨脹變形隨著火災(zāi)和荷載比的減小而逐漸增加，荷載的比越大，試件越容易從拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，并且壓縮時間越快，程度越高。定義試驗的真實軸力與初始施加軸力的比稱為軸力變化系數(shù)，試件受火面依次遞減時，試件升溫降溫后期的軸力變化系數(shù)依此遞減，隨荷載偏心率和軸向約束剛度比增大軸力變化系數(shù)的峰值增大，隨火災(zāi)荷載比的增大軸力變化系數(shù)逐漸降低。

二、軟件的數(shù)值模擬研究

唐貴和[4] ，對2 根足尺的鋼筋混凝土柱抗火試驗分析， 分析了柱的破壞形態(tài)、軸向變形、和耐火極限在不同受火方式下的結(jié)果。編制了鋼筋混凝土柱的耐火極限在不同受火方式下的計算程序，試驗結(jié)果與計算程序結(jié)果一致。其結(jié)果為相鄰兩面受火、三面受火和四面受火的耐火極限依次降低。其結(jié)果在以后的抗火設(shè)計中有參考價值。

毛小勇[5] ，在火災(zāi)發(fā)生時，建筑結(jié)構(gòu)很可能處于三面受火的狀態(tài)，其抗火性能與四面受火有很大差異。為了更深一步了解型鋼三面受火的耐火性能，以試驗研究為基礎(chǔ)，運(yùn)用ABAQUS軟件建立非線性有限元模型。對型鋼混凝土三面受火的破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與試驗研究相吻合。利用該模型對三面受火的混凝土的荷載比和偏心率進(jìn)行分析，得出結(jié)論：偏心受壓的型鋼混凝土柱三面受火時，偏心率較小時（小于0.2），偏心率越大耐火極限越小； 偏心率較大時（大于 0. 2），偏心率越大耐火極限越大。當(dāng)偏心率較小時，耐火極限受偏心率的影響較大。但是總體上來說，偏心率對耐火極限的影響不是太明顯。荷載比對型鋼混凝土柱偏心受壓時的影響比較明顯。

文獻(xiàn)[6]對30根高強(qiáng)混凝土柱的耐火試驗和數(shù)值模擬進(jìn)行分析，分析了荷載比和升溫速度對其耐火性能和爆裂的影響。結(jié)果表明：升溫時混凝土的拉應(yīng)力最高達(dá)到8.69MPa，已經(jīng)能使混凝土柱產(chǎn)生爆裂，與此同時荷載比越大越容易爆裂。耐火極限降低65%僅需從0.2到0.6文獻(xiàn) 高強(qiáng)混凝土柱的高溫爆裂現(xiàn)象可以通過模擬熱-質(zhì)傳遞的有限元方法更好的模擬出來。

三、 研究熱點與發(fā)展方向

近年來，火災(zāi)不僅僅能奪走人的生命，而且?guī)砭薮蟮呢敭a(chǎn)損失，所以越來越多的人關(guān)注火災(zāi)，尤其是建筑物的火災(zāi)。對混凝土的耐火性能進(jìn)行研究，使其建筑物在火災(zāi)時仍能繼續(xù)工作，從而提高建筑物的安全性。因此，國內(nèi)和國外的許多專家和學(xué)者為了提高混凝土的抗火性能做了許多試驗和理論分析。梁板柱是混凝土的基本組成部分，是混凝土的基本構(gòu)件。因此，它們在火災(zāi)時和火災(zāi)后的耐火性研究是提高混凝土結(jié)構(gòu)抗火性的基礎(chǔ)。為了可以更好的研究這方面的知識，知道在火災(zāi)時這些構(gòu)件的抗火性能是前提。本文以近年來眾多學(xué)者的研究為基礎(chǔ)，對基本構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行了概述，希望能對以后的研究提供有價值的意義。

參考文獻(xiàn)：

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