初始缺陷對鋼—混組合梁抗火性能影響研究綜述

鄭志遠 張裕錦 胡俊峰

(中建三局綠色產業投資有限公司，湖北 武漢 430040)

火災是現代社會中較為常見的一種災害，室內火災其溫度一般可達800 ℃～1 000 ℃，這對建筑結構的承載性能有很大的負面影響。一旦建筑物發生火災，梁柱構件的抗火性能是整體建筑穩定的重要保障與前提，若建筑自身有一定的抗火能力，則能夠給予人們充足的時間進行疏散與逃離，故對其進行抗火研究是十分有必要的[1，5]。在實際工程中，構件由于受到制作、加工、運輸及安裝等因素的影響，鋼梁會產生一定的缺陷，這些缺陷對鋼梁的抗彎剛度及極限承載力產生一定影響，其中影響較大的缺陷主要是初始幾何缺陷(初彎曲、初偏心等)和殘余應力(熱軋、焊接、火焰切割等)[2]。在對結構進行受力分析時不能忽略，尤其是高溫下組合梁的抗彎剛度會顯著降低，此時初始缺陷對其影響可能更為不利。因此，對帶有初始缺陷的預應力組合梁進行抗火性能研究很有意義。

1 國內外研究現狀

1.1 初始缺陷對鋼梁的受力性能影響

對鋼梁影響較大的初始缺陷一般是初始幾何缺陷與力學缺陷，其中初始幾何缺陷是構件產生一定的初彎曲、初扭轉及初偏心，力學缺陷是指鋼梁縱向的殘余應力[3]。目前，國內外學者對帶有初始缺陷鋼梁的受力性能進行了相關的試驗研究和數值模擬，梁的結構形式包括等截面與變截面H型梁、波紋腹板H型鋼梁以及冷彎薄壁腹板開孔C型鋼梁等；受力性能如鋼梁抗彎、抗剪以及穩定承載力等，并取得了一定成果，研究表明：

1)初始幾何缺陷對H型(鋼)梁和C型(鋼)梁的穩定性能有一定影響，其影響幅度主要取決鋼梁的破壞形式，而梁的破壞形式一般也與結構形式有關[4]；2)鋼梁腹板和翼緣越薄則初始缺陷的敏感性越強[5]；3)相比于普通鋼，殘余應力對高強鋼梁承載性能的影響更為不利[6]；4)殘余應力的分布模式也受鋼梁截面形式的影響，截面形式不同殘余應力發揮的效應也不同，一般殘余應力會使鋼梁過早的進入塑性，容易使鋼梁發生局部畸變失穩破壞，從而降低了梁的穩定性能和承載能力[7]；5)初始幾何缺陷對波紋腹板鋼梁抗剪性能的影響較小，但對翼緣的彈塑性屈曲承載能力起到一定不利影響[8]；6)初始幾何缺陷越大，高溫下波紋腹板鋼梁的側向剛度越弱，臨界溫度越低[9]。

1.2 初始缺陷對普通組合梁受力性能的影響

初始缺陷對組合梁受力性能影響方面的研究則相對較少。大多數學者將研究目標集中在常溫和高溫下組合梁的抗彎性能上，并做了一定試驗和大量參數分析，僅少部分學者考慮了初始幾何缺陷和殘余應力對組合梁常溫下受力性能的影響[10,11]，而對在高溫下帶有初始缺陷組合梁的受力性能尚未作出系統研究。

1.3 初始缺陷對預應力組合梁受力性能研究

預應力組合梁作為一種新型結構在許多超高層建筑以及大跨度橋梁中備受青睞，對于預應力組合梁在常溫下的受力性能已有部分相關研究：

1)抗彎性能。相關文獻[12][13]通過試驗與理論分析的方法，分析了預應力變化、內力重分布效應、滑移變形、曲率分布規律、應力分布模式和塑性鉸形成特性等。文獻[14]通過試驗研究了預制預應力混凝土板組合梁的彎曲性能，肋板放置方向、配筋率、重疊寬度對組合梁的彎曲性能有一定影響，混凝土板厚與栓釘鏈接程度的影響較小。文獻[15][16]通過試驗與理論分析的手段，分析了組合梁內力重分布的過程及拉索對負彎矩區抗彎剛度的影響，認為預應力的施加能顯著提高梁的截面彎曲剛度，緩解負彎矩區混凝土板裂縫的發展，抗剪鏈接程度對組合梁的抗彎性能也有一定影響。文獻[17]通過試驗手段研究了內置H型鋼預應力組合梁的彎矩重分布規律，并提出了帶有相關彎矩調幅系數的承載力計算公式。文獻[18]對采用試驗手段分析了預應力型鋼超高強混凝土組合梁的破壞形態與機理，認為梁破壞時仍具有一定的剩余承載力，并提出了預應力型鋼超高強度混凝土組合梁正截面受彎承載力計算公式。2)屈曲性能。文獻[19]采用有限元方法研究了常溫下預應力組合梁的整體與局部受力性能及整體失穩和負彎矩區局部屈曲等復雜特性。3)撓度性能。文獻[20]對體外預應力鋼—混凝土組合梁長期撓度效應進行了試驗研究分析，認為施加預應力在較大程度上可減小組合梁的附加撓度，初始有效預應力值越大，組合梁的跨中附加撓度也越小。

2 現今研究存在的問題

綜上所述，目前對于高溫下預應力組合梁受力性能的相關研究非常稀少，僅有文獻[21][22]通過試驗手段與有限元方法等對高溫下體外預應力簡支與連續組合梁進行了參數分析，提出了合理的預應力簡支組合梁在高溫下的受力模型；在對帶有初始缺陷的預應力組合梁的抗火性能研究更需開展。

3 展望

1)目前還沒有學者對此做過相關試驗，尤其是對于初始幾何缺陷和殘余應力的施加與測量在實際中有一定困難。若條件允許，可進行相關試驗研究，了解初始缺陷對預應力組合梁在火災下的真實力學響應。2)鋼材等級不同，初始幾何缺陷對組合梁性能的影響也不同。同時相關研究表明，高強鋼H型鋼殘余應力分布模型也與普通鋼不同，因此對高強鋼—混凝土組合梁的研究也很有意義。3)在實際工程中，波紋腹板及腹板開洞組合梁的應用也比較廣泛，高溫下初始幾何缺陷對其影響可能會更為顯著，在今后研究中也有必要展開相關工作。