火災作用下不同截面形式混凝土柱受火性能分析

劉子建，趙俁

（1.揚州市消防救援支隊，江蘇 揚州 252001；2.江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013）

1 引言

隨著國家經濟的快速發展，現代建筑逐漸向高層化、規模化、密集化等方向發展，建筑火災發生的因素、發生的次數和造成的損失呈現逐年增長的趨勢。建筑火災不僅損毀、破壞生產生活設備，還造成建筑物梁、板、柱等主要承重結構過早地發生損傷、破壞甚至整體倒塌，嚴重威脅人民財產安全。

消防指戰員在進入正在燃燒或燃燒后的建筑物內開展火情偵察、滅火救援、火災調查等作戰任務時，由于柱、梁等承重構件在長時間高溫作用下抗壓、抗拉、抗剪性能急劇降低，建筑物很容易由于發生脆性破壞而導致突然倒塌。這種倒塌一般發生得突然、短暫，倒塌征兆又不易掌握和判斷，人員不易及時撤離，往往會造成消防指戰員的重大傷亡。2003年1月3日，底部一層為現澆鋼筋混凝土框架結構，上部七層為砌體結構的湖南衡陽衡州大廈發生大火，造成建筑局部倒塌，20名消防官兵犧牲；2004年湖南常德橋南市場火災，兩棟三層現澆框架結構完全倒塌，造成1人死亡，多名消防官兵受傷。2015年1月2日哈爾濱北方南勛陶瓷大市場廠庫火災坍塌事故，造成5名消防員犧牲14人受傷。歷次火災證明提高建筑結構的防火性能刻不容緩，對鋼筋混凝土結構火災作用下的溫度場研究，對消防領域內的滅火、防火工作具有極其重要的理論研究與實踐的意義。

國內外許多學者對結構火災數值模擬進行了大量的研究。廖艷芬研究發現，鋼筋混凝土柱在不同的升溫曲線下的溫度場有著較大的不同，而溫度梯度則主要集中在鋼筋混凝土柱的10mm范圍內；馬哲漢研究發現，高溫下GFP混凝土柱在高溫下，不同的溫度梯度之間由光滑溫度區分線相隔，而四面受火的溫度梯度之間的溫度區分線并不光滑，存在并非光滑的溫度紊流層;隨著時間的持續增加，GFRP筋混凝土柱溫度的上升速度會略微變緩。

本文基于Abaqus有限元軟件，建立混凝土柱溫度場計算模型，探討柱截面形狀和尺寸對混凝土柱結構溫度場的影響。

2 溫度場計算模型的建立

2.1 熱傳導方程

在火災作用下，鋼筋和混凝土的熱工參數常常是溫度函數，因此火災作用下鋼筋混凝土梁的熱傳導是一個非線性的瞬態問題，其熱傳導微分方程遵循傅里葉定律，見式（1）。

2.2 模型參數

①材料熱工性能：混凝土熱工性能：高溫下混凝土熱傳導系數表達式見文獻，高溫下混凝土比熱表達式見歐洲規范，混凝土密度 ρc=2500kg/m。單元類型與界面參數選取為：混凝土采用實體熱分析單元（DC3D8），構件表面熱輻射系數ε=0.5，綜合換熱系數h=25W/(㎡.K)，初始溫度為20℃。加熱方式為所有鋼筋混凝土構件均采用四面受火和兩面受火兩種形式，采用國際標準溫升曲線ISO-834模擬火災，其數學表達式如式（2）。

2.3 鋼筋混凝土柱受火模型

本次模擬B1-B6六個工況，見表1所示。B1-B2柱：方柱截面尺寸為300mm×300mm，圓柱截面直徑為300mm；B3-B4柱：方柱截面尺寸為450mm×450mm，圓柱截面直徑為450mm；B5-B6柱：方柱截面尺寸為600mm×600mm，圓柱截面直徑為600mm。柱高度均為2000mm。

混凝土柱模型工況

3 計算結果分析

3.1 混凝土柱四面受火與兩面受火時特征分析

由圖1可知，當混凝土柱截面為正方形時，無論是四面受火或者兩面受火情況，隨著截面尺寸的增大，其抗火性能均顯著增強。截面尺寸增加50%，相同條件下混凝土截面中心溫度降低約50%。四面（兩面）受火情形下，當截面邊長由300mm增至450mm，相應的混凝土截面中心溫度降低約54.5%（56.2%），當截面邊長由450mm增至600mm，相應的混凝土截面中心溫度降低約51.2%（44.6%），可見，提高混凝土柱截面尺寸可顯著提高其抗火性能。

圖1 正方形截面柱受火特征分析

由圖2可知，當混凝土柱截面為圓形時，四面受火或者兩面受火情況下均表現出相同的規律，即隨著截面尺寸的增大，混凝土截面中心溫度顯著降低。該規律與圖1中混凝土截面為正方形的結論類似。當圓形截面直徑增加50%，相同條件下的混凝土截面中心溫度降低約50%，由此可知，提高混凝土柱截面尺寸可顯著提高其抗火性能。

圖2 圓形截面柱受火特征分析

3.2 截面形式對混凝土柱受火特征的影響

由圖3可知，相同截面尺寸下，矩形截面的溫度線均在圓形截面的溫度線之下，即相同尺寸的情況下矩形截面更有利于防火，能降低溫度傳遞的速度。圖4為受火3小時后不同截面尺寸柱溫度對比，當截面尺寸為450mm時，矩形截面與圓形截面柱的差異最大。

圖3 不同截面尺寸柱溫度對比

圖4 受火3小時后不同截面尺寸柱溫度對比

4 結論

基于本文鋼筋混凝土柱四面受火及兩面受火的模型得到的結論主要有以下四個方面。

①提高截面尺寸可以顯著提高混凝土柱的抗火性能，其他條件相同的情況下，邊長（或直徑）為600mm的混凝土柱比邊長（或直徑）為300mm的混凝土柱抗火性能提高一倍。

②不同截面形式的混凝土柱呈現的抗火性能存在差異，其中相同尺寸情況下，方形截面柱比圓形截面柱具有更好的抗火性能，其隨時間的增長，溫度的增加更加緩慢。

③混凝土柱四面受火的條件下溫度變化顯著快于兩面受火的情況，但兩種受火形式下，方形截面柱與圓形截面柱之間的差異規律類似。

④從溫度變化幅度及經濟實用角度出發，在防火關鍵部位建議采用方形柱。