地鐵站鋼管混凝土柱抗火設計研究

謝旺軍，楊 洋，劉振華

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市軌道交通建設進入高速發展階段。數據表明，截至2017年末［1］，國內共有34個城市已經開通并運營城市軌道交通，總里程達到5 032.7km，地鐵車站共計3 234座，進站量達到了116.9億人次，其中地鐵線路占到城市軌道交通總量的77.2%。

地鐵線路連接城區、經過城市中心，敷設方式以地下線為主。地鐵站多位于人流密集、交通繁忙的位置，并且修建在地下。為減少地鐵施工對臨近建筑和地面交通的影響，通常采用蓋挖逆作法進行地鐵站施工［2］，立柱需在基坑開挖前先施工且在底板澆筑之前，結構的所有豎向荷載均由立柱及圍護結構承受，因此蓋挖逆作法車站通常采用高強度混凝土鋼管柱作為立柱。鋼管混凝土柱具有承載能力高、韌性塑性好、抗火能力強、抗震性好、空間利用率高、經濟效果好等諸多優點［3］，因此在地鐵車站中大量采用。地鐵車站是人員密集公共場所，所有設備和構件的抗火性能尤顯重要。文章就鋼管混凝土柱的抗火設計進行探討。

1 地鐵車站防災概述

統計數據顯示，國內外重大地鐵事故中，火災事故約占地鐵事故總數的57%［4］。依據《地鐵設計規范》（GB50157－2013）［5］中規定“地鐵針對火災應貫徹‘預防為主，防消結合’的方針，地下的車站、區間、變電站等主體工程及出入口通道、風道的耐火等級應為一級”，同時，國內已經有30多個城市上百條地鐵線路兼顧人防設計要求，地鐵車站作為主要的人防工程，其主體工程中鋼管混凝土柱的抗火防火設計重要性更加突顯。

2 鋼管混凝土柱耐火優勢與受熱分析

2.1 鋼管混凝土柱耐火優勢

與普通混凝土和鋼結構構件相比，鋼管混凝土構件在火災中的性能有明顯提高，這主要得益于鋼管和混凝土之間的優勢互補和共同作用［6］。（1）高強度混凝土在火場中，由于火場的溫度不斷升高，混凝土中有大量水積聚在孔隙內，隨著溫度的升高慢慢變成蒸汽，但不能從高強密實的混凝土中溢出，以致形成很高的蒸汽壓力，最后容易使混凝土在火災下發生開裂最終承載力降低；但是鋼管給混凝土提供了環向約束，降低了混凝土構件失去承載力的可能性。（2）鋼管在火場溫度較高時局部會出現屈曲變形，但是鋼管內混凝土截面面積較大，溫度由外向內傳遞時間受到拖延，承載力降低程度較小，可以為外側鋼管提供結構上的支撐。（3）火災結束時，鋼管混凝土柱沒有失去穩定性，當溫度下降時，鋼管的各項性能逐漸得到很大程度的修復，鋼管混凝土構件在核心混凝土發生不可逆破壞的情況下，仍能依靠鋼管的約束作用提供相應的承載力，降低了火災的經濟損失，為今后工程的加固修復提供了有利的條件。

2.2 鋼管混凝土柱受火分析

鋼管混凝土柱抗火設計時，需要考慮在不同溫度下鋼管與組成混凝土材料性能的變化，因此對鋼管混凝土柱橫截面內溫度場的分布情況進行分析尤為重要。通過對大量實驗與模擬鋼管混凝土柱與火場空間熱交換、鋼管混凝土柱內界面的熱傳導的研究［7］，得出對流換熱對鋼管混凝土柱的影響較小，而輻射換熱影響明顯，隨著大火的持續燃燒，鋼管混凝土柱與火場中的溫差逐漸變小，對鋼管構件的影響變小。鋼管混凝土柱內界面溫度在100℃內升溫速度快，未達到800℃之前升溫速度較快，之后升溫速度趨于平緩，其研究表明與標準燃燒模型ISO－834完全相吻合。由于混凝土導熱系數低、比熱大，溫度升高曲線圖落后于外包鋼管，越靠近柱核心的混凝土，溫度升高的速度越小。離鋼管較遠的核心混凝土升溫速度遠遠不及鋼管周圍混凝土，混凝土的溫度一般是由外向內200mm范圍內，溫度變化越大，對應的幅度變化越大［8］。

3 影響鋼管混凝土柱抗火性能的因素

影響鋼管混凝土柱抗火性能的因素較多，很多研究人員進行了大量的研究［9－15］，得出了較為理想的研究成果，通過結合地鐵車站的特點，分析影響抗火性能的主要因素，提出抗火設計的主要方法。

3.1 截面尺寸與形狀

鋼管混凝土柱橫截面積的大小對其耐火性能的影響很大。橫截面的尺寸越小，對應核心混凝土橫截面面積越小，對熱能的吸收和傳遞越差，耐火性能越差；反之，截面尺寸越大，吸熱能力越強，耐火時間越長。在相同情況下，截面的形狀不同其抗火性能差別較大。在實驗研究中，圓鋼管混凝土柱可以認為是各向同性試件，在四面受火的情況下，鋼管周圍受熱均勻；而方鋼管混凝土柱在四面受火時，在角部形成高溫區域，溫度明顯高于其它部位，降低了承載能力和耐火時間。故考慮到地鐵車站是利用地下的有限空間而修建，采用圓鋼管混凝土柱更有利于抗火、美觀、安全、節約空間等。

3.2 約束條件

隨著邊界約束的增強，耐火時間均呈現上升趨勢，反之減弱邊界約束條件，其延性不斷下降，導致抗火性能也逐漸降低；對于在地鐵車站中設計的組合柱，如果邊界約束條件一致時，較厚鋼管的延性更好。

地鐵車站中的鋼管混凝土柱設計時，考慮的重點是如何保證鋼管和核心混凝土一起工作、同時受力，節點設計要確保力傳遞的有效性，加強節點設計能很好地達到“強節點、強錨固”的設計要求。

3.3 長細比的影響

對于圓鋼管混凝土柱［9］，長細比≤90時，長細比越大，抗火極限越小，反之，長細比越小，抗火極限越大；當長細比＞90時，長細比對抗火極限的影響逐漸減弱。對于方鋼管混凝土柱，當長細比≤40時，隨著長細比的增大，耐火極限有逐漸變大的趨勢，但變大的梯度不大；對于長細比＞40的情況，長細比越大，抗火極限就越小。

以南京地鐵南京站為例，鋼管混凝土柱900mm，長度約28m，以兩端固結來計算，長細比約為62，兩端鉸接時長細比為124，因此在地鐵站鋼管混凝土柱設計中的節點設計對抗火性能有著重要的影響。

3.4 防火保護層厚度

火災現場的鋼管混凝土柱在上部荷載的作用下，沒有防火保護設計，其抗火極限通常不能達到實際工程的需要。為了實現鋼管混凝土柱的抗火極限達到工程實際的需求，需要對其進行防火保護層設計。實驗研究結果表明，增加鋼管防火保護層厚度，鋼管混凝土柱的抗火性能表現出明顯的上升趨勢。

對于保護層厚度設計，應主要考慮抗火極限、構件截面尺寸及形狀、長細比、荷載比的密切關系。在抗火極限要求一定的情況下，鋼管混凝土柱的防火保護層厚度，隨構件橫截面尺寸的增加和長細比的減小而整體呈現逐漸降低的趨勢［10］。

目前對于鋼管混凝土柱的防火保護，一般是在鋼管表面刷涂防火涂料保護層或采用外包防火板、水泥砂漿等方法，其中厚涂型鋼結構防火涂料比水泥砂漿的防火效果更具優勢［11］。在保護層厚度相同的情況下，刷涂水泥砂漿柱的抗火性能不足抗火涂料的1／3，而方鋼管混凝土柱所用的防火涂料或防火砂漿數量是圓鋼管混凝土柱的1.3倍。

4 結語

通過考慮地鐵車站采用鋼管混凝土柱的諸多優勢，對地鐵車站鋼管混凝土柱的抗火性能進行研究，得出如下結論：

（1）通過對鋼管混凝土柱在火場中的升溫過程進行分析，升溫曲線與ISO－834標準燃燒模型相吻合。

（2）通過對比分析截面尺寸與形狀、約束條件、長細比，得出地鐵車站鋼管混凝土柱設計時采用兩端固定連接的圓鋼管混凝土柱更有利于提高抗火極限性能。

（3）通過分析不同的防火保護層的特點，建議采用防火涂料作為地鐵站鋼管混凝土柱防火保護層。