部分包裹鋼-混凝土組合柱抗火性能研究進展

劉 超， 孫 彤， 王靜峰，3， 劉 用，3

(1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230000；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009；3.先進鋼結構技術與產業化協同創新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國經濟社會快速發展，城鎮化率不斷提高，建筑火災也越發頻繁，造成的損失極為嚴重，其中多高層建筑又是目前最普遍的建筑類型，成為防火設計重點研究建筑類型之一。

近年來，出現一種在H型鋼兩翼緣間填充混凝土而成的新型部分包裹混凝土組合構件，簡稱PEC構件，其典型截面形式如圖1所示。PEC構件翼緣間的混凝土可以承擔一大部分荷載，并增強了構件的局部穩定，與傳統的鋼框架相比，此類構件的截面尺寸顯著減小，增加了房間的有效使用面積，因此具有良好的力學性能和優越的經濟性能，應用前景良好。

圖1 典型PEC構件截面圖

最典型的PEC構件是PEC柱，PEC 柱的延性、承載能力等力學性能優于普通鋼柱，耐火性能優于無防火保護的鋼柱，同時，PEC柱施工簡便，節省模板，經濟性能優越，可以直接應用于新建多高層結構和已有鋼柱的加固與改造，應用前景良好。但在火災高溫的情況下，PEC柱由于H型鋼翼緣外露，鋼材迅速升溫而強度顯著降低，導致混凝土的壓碎和柱剛度和強度的快速下降，構件承載力下降，因此PEC抗火性能及抗火設計方法受到各界關注。

1 PEC柱抗火研究進展

目前國內外關于PEC柱的抗火研究進展如下：

1.1 國外研究進展

Wainmannl等[23]進行了PEC柱抗火極限試驗，為歐洲規范中的PEC柱抗火設計提供了依據。

Korzen等[24]研究了約束PEC柱耐火極限，考慮了軸向約束剛度、荷載比和長細比等參數，得出結論：軸向約束剛度增大，軸向約束力增加。Correia和Rodrigues等[25]也對約束PEC柱的耐火性能進行了研究，在Korzen的基礎之上，他還研究了轉動約束剛度比這一參數對耐火性能的影響，得出如下結論：低荷載比下，約束剛度增加，柱子耐火極限時間縮短，高荷載比下，約束剛度增加，耐火極限時間幾乎沒有變化；長細比增大，耐火極限減小。

另外，一些國家已將PEC柱的抗火設計內容編入了相關的規范當中，例如歐洲規范Eurocde4.1和德國DIN4102.4，它們均以圖表形式對PEC柱不同耐火極限要求下柱最小截面尺寸、最大翼緣寬厚比等參數作出了具體規定。

1.2 國內研究進展

毛小勇、徐悅軍[21-22]研究了標準升溫條件下PEC柱耐火性能，得出兩條結論：沒有耐火保護的PEC柱的耐火極限一般無法達到現有抗火標準的要求；荷載比、長細比和截面周長是影響PEC柱耐火極限的主要因素。并提出了火災下PEC柱變形曲線及耐火極限的計算方法。在此基礎之上，毛小勇等[19]研究了約束PEC柱的軸力變化，其有限元模型如圖2所示，考慮了火災荷載比、軸向、轉動約束剛度比、長細比、偏心率等參數，得出結論：軸向約束增大了PEC柱的軸力，且軸向剛度比越大，軸力增加越明顯；但隨著荷載比的增大，軸力變化幅度呈減小趨勢；柱的長細比，轉動約束剛度對PEC柱的軸力沒有明顯的影響，如圖2所示。

圖2 PEC柱模型

滿建政等[20]研究了約束PEC柱的耐火極限，考慮了火災荷載比、軸向約束剛度比、長細比、偏心率和約束梁跨度等參數，得出如下結論：火災荷載比增大，耐火極限呈線性降低；軸向約束剛度比、長細比和偏心率對耐火極限沒有影響；荷載比對耐火極限影響很大，約束梁跨度等參數影響較小。行盼娟，毛小勇，于寶林[5]對軸壓作用下基于子結構模型的約束PEC柱的耐火極限進行了研究，與滿建政等[20]不同的是，他們還考察了梁上荷載大小及柱長度對耐火極限的影響，得出結論：軸力比和柱長度對耐火極限有較大影響,而軸向約束剛度、約束梁跨度及梁上荷載的影響很小;耐火極限隨荷載比的增大迅速降低。

金曉飛等[8]另外考察了彎矩分布模式對約束PEC柱(強軸)抗火性能的影響，得出如下結論：當荷載比和偏心率較小時，彎矩分布模式對PEC柱的變形特征及軸力變化系數沒有影響；隨著荷載比和偏心率的增大，彎矩分布模式對其影響變大。在其他參數相同的條件下，均勻彎矩分布模式下柱的耐火極限時間最短；三角形彎矩分布模式和異號彎矩分布模式下PEC柱耐火極限時間差別不大。目前國內外對PEC柱抗火性能的研究還有以下不足：多數對PEC柱的研究為四面均勻受火條件，針對單面、雙面和三面等非均勻受火條件下的PEC柱抗火性能的研究還較少。同時，異形截面PEC柱 不僅具有PEC柱的優點，而且布置靈活，建筑效果好，應用前景廣闊，但目前仍缺乏異形截面PEC柱抗火性能的研究。

2 PEC梁柱組合節點研究進展

目前國內外關于PEC梁柱組合節點的研究進展如下：

Plumier等[26]對12個足尺PEC柱梁柱邊節點進行了試驗，對節點區的受力性能進行了研究，結果如下：連接方式、腹板厚度對PEC柱節點性能影響較小；試驗中所有屈服均發生在梁上，由于混凝土作用，梁翼緣總是向外彎曲。

方有珍等[14]對新型卷邊鋼板混凝土組合PEC柱鋼梁節點進行了低周循環荷載試驗，結果表明：新型卷邊鋼板混凝土組合PEC柱滿足 “雙向等剛度”的要求；設置預拉對穿螺栓使節點域充分實現混凝土斜壓帶傳力，對鋼柱腹板的抗剪要求降低，所有試件都表現出不同程度的自復位功能與良好的耗能能力，實現了強節點的抗震設防目標。

王靜峰[15]通過有限元模擬對高溫下鋼管混凝土柱鋼梁外加強環節點進行了研究，分析了在不同恒高溫下環板寬度、鋼管厚度、鋼梁翼緣寬度和厚度、梁高等參數對節點抗彎承載力和初始剛度的影響。在此基礎上建立了高溫下節點抗彎承載力和初始剛度的簡化計算方法，并用歐洲規范EC3的連接分類方法對高溫下節點剛性進行了分析。

3 鋼-混凝土組合框架的抗火研究進展

毛小勇、王宇[6-7]應用ABAQUS有限元軟件創建了局部火災作用下PEC柱-鋼梁組合平面框架的溫度場以及抗火分析模型，模型得到相關試驗結果的驗證。采用驗證后的模型分析了火災下PEC柱-鋼梁組合框架的失效模式、PEC柱內力的變化規律和結構變形特征等，同時分析了火災發生的位置對PEC框架結構抗火性能的影響。分析表明：在不同保護層厚度和載荷條件下，PEC柱-鋼梁組合框架會出現梁先失效以及柱先失效兩種失效模式，如圖3所示；柱先失效引起結構整體破壞，梁先失效引起結構局部破壞；框架受火的面積越大，受火柱的軸壓比以及受火梁的荷載比越大，框架的耐火極限時間越短。

圖3 兩種失效模式云變形圖(變形放大5倍)

李曉東等[16]研究了4榀單層單跨鋼框架和6榀雙層雙跨鋼框架的抗火性能，考慮到鋼梁和鋼筋混凝土板間不同構造形式和不同受火工況兩個因素，通過試驗得到了鋼框架的溫度場分布和框架的變形規律，試驗表明：火災條件下，單層單跨框架梁全部受火時，框架破壞形式為鋼柱的壓屈破壞，破壞位置為受保護的鋼節點下方鋼柱；雙層雙跨鋼框架受火跨不影響未受火跨。

王廣勇等[17]利用有限元分析了局部火災下鋼筋混凝土平面框架結構的耐火性能，并在此模型基礎上研究了火災條件下框架結構的破壞機制、變形規律、塑性鉸分布規律。研究結果表明：軸壓比較大時，框架破壞形式均是受火邊柱底端在彎矩和軸力共同作用下破壞，進而導致整體破壞。軸壓比較小時，各工況下均發生受火梁的局部破壞。當受火跨數相等時，上層的耐火極限小于下層的耐火極限。

王衛華[18]研究了八榀單層單跨組合框架，并進行了耐火試驗，觀察了不同類型的梁和不同截面的鋼管混凝土柱所組成的框架的抗火性能，試驗研究發現：組合框架的溫度場由于防火保護層和混凝土的吸熱作用而保持著較低水平，且在火災下因為構件間的組合作用，框架發生了應力重分布，最后組合框架由于柱頂鋼管局部的屈曲而發生了破壞。

4 結論與展望

(1) PEC構件抗火性能雖優于普通鋼筋混凝土柱，但由于型鋼翼緣裸露，仍不能達到結構安全的耐火極限要求，今后應考慮在其翼緣包覆防火板或涂刷防火涂料，對其進行抗火性能研究。

(2) 多數對PEC柱的研究為四面均勻受火條件，針對單面、雙面和三面等非均勻受火條件下的PEC柱抗火性能的研究還較少，同時缺乏關于對異形截面PEC柱抗火性能方面的研究。

(3) 在PEC梁柱組合節點以及框架方面的抗火性能研究非常匱乏，框架方面的研究多為鋼筋混凝土框架，應多展開在框架以及節點方面的抗火性能研究。