綠色新型材料組合結構抗火性能研究與應用

趙蘭英，宗景美 （商丘工學院土木工程學院，河南 商丘 476000）

1 引言

隨著社會人口增長，經濟快速發展以及土地資源的利用，房屋建筑有著越來越高的要求。目前，房屋建筑向著高層、大跨發展，新的結構體系或新型材料的研究就成了當今社會的熱點。高層新型結構體系鋼管混凝土結構，鋼-混凝土組合結構已不能滿足超高層建筑的需求，而新型的結構體系研究比較困難，所以提高材料性能成為滿足高層建筑需求的主要途徑。在普通混凝土中加入鋼纖維，對混凝土的脆性有很大改善，在工程應用中取得較好的經濟效果。為進一步保護環境及實現材料可持續發展甚至達到更好的經濟性能，綠色高性能纖維增強水泥基復合材料應運而生。建筑火災由于其自身特點，一旦發生就會造成巨大的人員傷亡和經濟損失，所以建筑結構抗火性能的研究迫在眉睫。

組合結構具有較高的承重力、整體性好等優點在高層建筑結構中的應用越來越多，因此組合結構的抗火性能及抗火設計理論的研究具有重要的現實意義。本文對組合結構以及綠色高性能纖維增強水泥基復合材料的組合結構的研究現狀進行總結，對已有的抗火設計方法進行討論，并對綠色高性能纖維增強水泥基復合材料組合結構的研究進行展望，期望能為以后的研究提供意見和建議。

2 國內外組合結構及節點抗火性能研究

2.1 混凝土組合結構抗火性能

目前，國內外對于混凝土組合結構的抗火性能方面的具體研究相對較少，王勇、段亞昆等[1]從不同位置、受火時間，配筋率等多方面對連續三跨的混凝土板進行了火災試驗分析，得出配筋率和連續配筋方式可以明顯提高構件的抗火性能，但對于不同的計算方法得出的抗火承載力有明顯差別。文獻[2-3]分別建立了多層和高層框架結構的計算模型，利用數值模擬的方法模擬分析了各種不同工況火災情況下，框架結構的變形、破壞、內力及耐火極限，得出框架結構火災作用下發生的局部破壞和整體倒塌的兩種破壞形態以及破壞梁的位置對結構耐火極限的影響。文獻[4]通過試驗研究與數值模擬對比研究分析了鋼管混凝土組合框架結構在不同受火時間下的破壞形態，總結了其塑性鉸的出現位置，并以單層單跨和兩層兩跨的組合框架為模型進行破壞驗證，總結其力學性能，進一步推進了鋼管混凝土組合結構抗火性能的研究。文獻[5]建立了兩塊鋼-混凝土組合梁模型進行了足尺火災試驗，分析了火在下構件塑性鉸的出現以及組合梁的懸鏈線效應影響因素，證實影響結構抗火性能的主要因素之一為荷載比以及荷載比與組合梁的懸鏈線效應的關系。

2.2 新型材料組合結構抗火性能研究

房屋建筑向著高層、大跨方向發展，除了推進結構體系的發展，也給新型材料的應用帶來了機遇。新興材料在結構中的應用，各新型材料下結構體系的力學性能研究也逐漸成熟，國內外學者對新材料下結構體系的抗火性能研究也在逐步進行。

文獻[6]進行了8個預應力活性粉末（RPC）混凝土簡支梁在標準ISO834升溫曲線下的抗火試驗研究，總結了一定條件下RPC混凝土簡支梁的火災破壞形態，試驗結果表明，影響結構耐火極限的最主要因素是水平荷載大小及混凝土保護層厚度，并且試驗驗證常溫下混凝土結構適筋構件的設計方法不能滿足火災下梁的適筋破壞延性要求。

文獻[7-8]制作了三組 GHPFRCC（綠色高性能纖維增強水泥基復合材料）梁柱節點構件通過現場試驗手段對構件的耐火極限進行了研究。結果表明對軸壓比進行合理控制在一定程度上可以提高其耐火極限，同時受火面越多越均勻，結構構件的抗火性能越好。另外通過數值模擬分析與試驗結果對比分析說明了有限元分析進行結構抗火性能研究手段是可行的。

文獻[9]按照1:2建立“田”形框架結構的縮尺模型，進行了火災試驗研究，總結了火災作用下“田”形框架結構的溫度場，位移場的分布規律以及結構抗火性能的影響因素，同樣利用有限元軟件進行同等工況下的“田”形框架結構的火災模擬分析，結果對比分析具有較好的吻合性，說明有限元分析進行結構抗火性能研究手段的有效性。

2.3 組合結構工程應用

組合結構能夠發揮不同材料的力學性能，具有整體性好及施工方便等特點，能夠滿足大跨、高層等土木工程建筑需求，在我國發展較為迅速，并且獲得廣泛應用[10]。北京的香格里拉飯店采用框架-剪力墻結構體系，2層以上為型鋼混凝土柱、組合梁組成的剛接框架，柱內配置H型鋼。上海金茂大廈周邊采用8根截面尺寸為1.5m×5.0m矩形鋼混凝土柱，柱中配置2根焊接H型鋼。深圳地王大廈在58層以下采用型鋼混凝土柱。北京的世界金融大廈、深圳賽格大廈等采用了鋼管混凝土結構。各大火車站、飛機場都采用了組合結構技術。新型材料組合結構因其有較好的性能，在軍隊建筑、防護工程等重點工程中應用，但各種新型材料由于其稀缺性，造價高等特點很難在工程中普遍采用。所以研究價格低廉且工程性能較好的新型材料組合結構是當下的重中之重。

3 存在的主要問題

3.1 試驗研究

普通鋼-混凝土組合結構的抗火性能研究多數停留在有限元分析上，試驗尤其是結構體系整體試驗較少，節點試驗相對而言雖多，但力學形態研究不全面?？傮w上，試驗研究方法不統一，試驗結果很難比較及共享。

3.2 抗火性能理論分析

組合結構抗火性能無論在試驗研究還是理論分析中，學者都很難考慮材料高溫徐變、熱應變等特點，忽略了高溫下材料的內力重分布，直接采用鋼筋混凝土結構的平截面基本假定進行研究，結論的可靠性有待進一步驗證。另外各有限元分析軟件進行火災作用下結構變形數值模擬時也忽略了組合結構材料高溫下的變形，精確度較差。關于組合結構的抗火性能設計國家沒有統一的設計標準，抗火性能難以保證。

3.3 新型材料組合結構

高溫下混凝土的力學性能嚴重退化，為滿足結構大跨、高層以及耐高溫等的需求，新型材料的研究成為改善結構性能的一大熱點。在混凝土中加入纖維材料的纖維增強混凝土、再生混凝土、纖維增強再生混凝土以及綠色高性能纖維增強水泥基復合材料（Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites，GHPFRCC）在組合結構中應用研究正在完善。對新型材料組合結構的抗火性能研究有待進一步深入，并逐漸推廣應用。

4 尚需深入研究的問題

①新型材料組合結構有較好的力學及耐高溫性能，但施工技術復雜，材料造價高，多數只在組合結構節點使用，如何提高新型材料與混凝土材料的共同工作效率仍需深入研究。

②無論組合結構節點還是結構體系整體抗火性能試驗中受火方式、火災后承載力喪失前表面爆裂現象的改善等試驗方法問題還需進一步改善。

③國內開展的結構整體火災試驗多是模型試驗，足尺整體結構試驗很難開展。研究整體結構火災下的有限元分析方法勢在必行。完善各種材料高溫下本構模型關系，研發解決大型結構體系火災模型及數值運行軟件是迫在解決的難題。

④新型材料組合結構的施工技術有待進一步研究，加快其在工程中的應用速度，切實促進我國結構體系的發展及推廣。