型鋼混凝土結構抗火性能研究新進展

章晴雯

【摘? 要】建筑火災是危害人民生命財產安全的常見災害之一，以前通常是通過建筑設計和消防措施來考慮建筑防火的問題。而研究表明，采用不同的節點構造、防火涂層設置等構造措施對結構的抗火性能和耐火極限影響較大，關于結構抗火的研究成為工程界關注的熱點問題。型鋼混凝土結構應用廣泛，近年來與其相關的抗火研究成果豐碩。為此，論文系統地總結了型鋼混凝土梁、柱、節點和框架抗火研究新進展，并提出需要進一步深入研究的方向。

【Abstract】Building fire is one of the common disasters that endanger the safety of people's life and property. In the past， building fire prevention was usually considered through architectural design and fire prevention measures. The research shows that the fire resistance and fire resistance limit of the structure are greatly affected by different joint structures and fire retardant coating settings. The research on the fire resistance of the structure has become a hot issue concerned by the engineering field. Steel reinforced concrete structure is widely used. In recent years， the research on fire resistance is fruitful. Therefore， this paper systematically summarizes the new progress of fire resistance research on beams， columns， joints and frames of steel reinforced concrete structures， and puts forward the direction of further research.

【關鍵詞】型鋼混凝土;抗火性能;研究進展;研究趨勢

【Keywords】steel reinforced concrete; fire resistance; progress of research; research trend

【中圖分類號】TU398+.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）11-0180-05

1 引言

在眾多災種中，火災的發生概率最大，頻率最高。國際上每年均有大量建筑物毀于火災之中，損失嚴重。高溫后，建筑材料的力學性能會呈現不同程度的降低，結構的承載能力迅速下降，致使結構產生一定程度的損傷甚至嚴重破壞。建筑火災除了造成結構倒塌、人員傷亡之外，更多的是因為結構功能失效而引發間接的經濟損失。由此可見，開展結構抗火研究工作具有十分重要的現實意義。

型鋼混凝土結構是一種強度高、剛度大、延性好、抗震性能良好的結構體系，廣泛應用于各類重載結構、大跨結構、高聳結構、高層建筑以及地震區的建筑物[1]。國內外對型鋼混凝土結構抗火性能的研究起步較晚，20世紀80年代才開始探索研究型鋼混凝土結構的抗火設計，特別是最近十幾年，各研究機構對于型鋼混凝土構件和結構做了一些火災試驗和相關的理論研究。本文論述了國內外關于型鋼混凝土結構耐火性能的主要研究成果，提出尚需要解決的問題，有助于進一步研究型鋼混凝土結構的高溫力學性能和耐火極限。

2 型鋼混凝土梁的耐火性能研究

2.1 型鋼混凝土梁

國內外關于型鋼混凝土梁的抗火性能研究報道較少。鄭永乾等[2]采用纖維模型法和有限元軟件ABAQUS計算分析SRC梁的耐火性能，二者的計算結果較為接近，且得到了實驗數據的驗證。基于此，采用計算效率較高的纖維模型法分析各參數對火災下SRC梁承載力影響系數的影響規律，結果表明火災時間和截面尺寸影響最大，最后回歸分析得到火災下SRC梁承載力影響系數簡化計算公式和耐火極限簡化計算公式，給出了方便實用的SRC梁耐火極限表。董琳琳[3]采用ABAQUS建立了多跨連續SRC梁的火災力學模型，計算結果與實驗結果吻合較好。隨后模擬分析在不同跨受火情況下三跨連續SRC梁的溫度場分布、破壞形態和應力分布情況。最后得到火災下型鋼混凝土梁正截面受彎承載力計算公式。

2.2 預制裝配式型鋼混凝土梁

我國正在大力發展預制裝配式建筑，李智[4]對預制裝配式型鋼混凝土（PSRC）梁的抗火性能作了一些初步研究，利用ABAQUS建立了PSRC梁的溫度場計算模型和熱-力耦合計算模型，模型得到了試驗數據驗證，比較分析了PSRC梁和SRC梁的耐火極限，認為SRC梁的耐火性能略好，探討了疊合面摩擦系數大小對PSRC梁耐火極限的影響，計算分析了各參數對PSRC梁耐火極限的影響，指出荷載比、受火面數和型鋼截面尺寸是主要影響因素。

2.3 預應力型鋼混凝土梁

傅傳國等[5-10]報道了14個預應力型鋼混凝土簡支梁構件的火災試驗情況，測得火災作用下各試件的溫度場分布、測點撓度、預應力筋的有效預應力、試件端部預應力值等重要參數。降溫之后繼續對試件加載進行火災后力學性能試驗，觀察梁的破壞過程，得到各測點撓度、裂縫分布、梁的高溫后剩余承載力等試驗數據。然后利用有限元軟件ABAQUS建立試件的溫度場模型、高溫下和高溫后的熱-力耦合模型，并得到試驗數據的驗證。在此基礎上，進一步推導出高溫作用下預應力型鋼混凝土簡支梁構件的預應力損失簡化計算公式、火災下和火災后預應力型鋼混凝土簡支梁的剛度簡化計算公式、火災作用時預應力型鋼混凝土簡支梁的正截面受彎承載力簡化計算公式和斜截面受剪承載力簡化計算公式、火災高溫后預應力型鋼混凝土簡支梁的正截面受彎承載力簡化計算公式。

3 型鋼混凝土柱的耐火性能研究

3.1 型鋼混凝土柱

陸洲導和徐朝暉[11，12]進行了12個型鋼混凝土柱的抗火試驗，采用有限單元法和有限差分法的混合解法，編制計算程序用以分析型鋼混凝土柱的溫度場分布和抗火性能。計算結果得到了試驗驗證。隨后考慮各參數對SRC柱耐火極限的影響。最后對大量數據進行擬合，確定火災下SRC柱極限承載力實用計算公式。

鄭永乾等[13-15]利用有限元法計算了SRC柱的溫度場，計算結果得到試驗數據驗證，而后又利用數值方法確定了SRC柱的耐火極限，并以試驗結果驗證了數值分析方法的可靠性。在此基礎上，分析了構件長細比、截面高寬比、截面尺寸、截面含鋼率、荷載偏心率等參數對SRC柱耐火極限的影響規律。最后對火災下SRC柱耐火極限的計算方法進行了簡化。

蔣東紅等[16-18]首先利用有限元方法研究了SRC柱的抗火性能，理論計算結果和試驗數據吻合。在此基礎上，研究了型鋼含鋼率、長細比、偏心率和受火時間等參數對標準火災作用下SRC柱的極限承載力的影響，并分別給出了SRC柱極限承載力與各參數的擬合關系式。最后給出SRC柱極限承載力簡化計算公式，計算結果與有限元求解結果接近。

成曉娟、侯進學、張佳[19-21]進行了一系列型鋼混凝土軸心受壓柱、大偏心受壓柱和小偏心受壓柱的全過程火災試驗，研究火災升溫段、降溫段和火災后構件的實驗現象、溫度場分布規律、耐火性能、變形特征和剩余承載力等指標，并利用ANSYS有限元軟件建立型鋼混凝土軸心受壓柱、大偏心受壓柱和小偏心受壓柱的溫度場計算模型和全過程火災熱-力耦合模型，計算結果得到試驗數據驗證。除此之外，高偉華、李麗麗[22，23]對4個三面受火的SRC柱進行了試驗研究，得到其溫度場分布、耐火極限、位移-時間曲線等數據。隨后利用ABAQUS建立試件的火災力學模型，應用上述模型，對受拉側受火和受壓側受火2種情況下的各影響參數對SRC柱耐火極限的影響規律進行分析。在此基礎上，回歸得到三面受火SRC柱的耐火極限簡化計算公式。

關于型鋼混凝土常溫下粘結滑移性能的研究已較成熟，但是高溫下和高溫后型鋼混凝土粘結滑移性能的研究還很少見。邱棟梁[24]設計了高溫下18個SRC柱、高溫后18個SRC柱和3個常溫對比SRC柱，用以進行型鋼混凝土粘結滑移推出試驗，分析了高溫下和高溫后型鋼混凝土的粘結滑移機理，考察了升溫最高溫度等因素對粘結強度和粘結應力-滑移曲線的影響，建立了與溫度相關的型鋼混凝土粘結滑移本構關系。

多數情況下建筑物在火災后還要繼續使用，研究其在火災后的力學性能對該類建筑的加固修復和評估具有重要意義。謝福娣[25]對8個過火后的型鋼混凝土柱進行抗震性能試驗，觀察其實驗現象和裂縫開展情況，研究了軸壓比、含鋼率、受火時間等因素對滯回曲線、骨架曲線、等效粘滯阻尼系數、剛度退化規律的影響，分析了火災后SRC柱的延性、耗能性能等抗震性能。唐躍鋒[26]制作17根型鋼混凝土柱進行火災試驗，然后對其中部分試件采用外包碳纖維和外粘型鋼2種加固處理方式，隨后對試件進行承載力試驗，觀測試件的破壞形態，研究其荷載-變形關系曲線、極限承載力、變形剛度以及不同的加固處理方式對試件承載力的影響。利用有限元軟件MSC.MARC/MENTAT建立SRC柱的火災力學模型，并得到試驗驗證。基于此模型，研究長細比、偏心率、含鋼率等因素對剩余承載力的影響，得到了火災后SRC柱剩余承載力影響系數簡化計算公式。

3.2 型鋼混凝土異形柱

單齊云等學者[27-33]制作了9根等肢L形SRC異形柱、9根不等肢L形SRC異形柱、8根T形SRC異形柱和9根十字形SRC異形柱，進行了一系列抗火試驗，報道了火災下試件的測點溫度、變形規律、裂縫分布規律等情況。降溫后對試件繼續進行加載試驗，研究各種截面類型異形柱在火災后的變形性能、剩余承載力、型鋼與混凝土之間的粘結滑移性能及抗震性能等力學性能，利用有限元軟件ANSYS和ABAQUS建立了試件的溫度場和熱-力耦合計算模型，與試驗數據進行對比。通過驗證有效的計算模型繼續研究異形柱的火災后截面特性，并分析了各參數對火災后SRC異形柱正截面承載力的影響。

周璇等學者[34-37]利用ABAQUS建立T形截面、軸向約束T形截面、十字形截面、軸向約束十字形截面SRC異形柱的火災力學模型，計算結果得到實驗數據驗證。用計算模型分析了各參數對上述4種SRC異形柱耐火極限的影響。

王燦燦等學者[38-41]報道了3根L形和16根十字形SRC異形柱在高溫下的力學試驗，觀察試驗現象，研究溫度場分布和位移-時間曲線，考慮不同荷載比對試件軸向位移和耐火極限的影響。利用ABAQUS建立L形和十字形截面異形柱的熱-力耦合計算模型，計算結果和試驗數據較吻合。對部分高溫自然冷卻后的十字形和T形SRC柱繼續加載研究其在火災后的力學性能、抗震性能和破壞形態，分析各參數對型鋼混凝土柱剩余承載力的影響。

3.3 約束型鋼混凝土柱

Huang等[42]進行了4個軸向約束SRC柱的抗火試驗;利用有限元軟件SAFIR和自編程序FEMFAN-3D分別建立了軸向約束SRC柱火災力學模型;應用上述模型分析截面尺寸和荷載比等參數對SRC柱耐火極限的影響規律。

鄭嬋嬋等[43]報道了7根型鋼混凝土軸向約束柱的抗火試驗結果，利用ABAQUS軟件模擬計算了SRC軸向約束柱的溫度場和火災力學性能，并得到試驗驗證。基于此計算模型，分析了荷載比、軸向約束鋼度比、轉動約束剛度比、截面尺寸、偏心率、含鋼率、混凝土強度、型鋼屈服強度、鋼筋屈服強度、縱筋配筋率、混凝土保護層厚度等參數對柱軸力、柱豎向位移、柱跨中彎矩、柱耐火極限、柱計算長度系數和柱彎矩增大系數的影響，最終給出SRC約束柱耐火極限的實用計算公式。

李俊華等[44]進行了14個在四面、三面、兩面和單面不同受火方式下軸向約束SRC柱的抗火試驗，研究不同受火方式和端部約束對柱子溫度場分布、軸力、變形等性能的影響。

4 型鋼混凝土結構節點的抗火性能研究

從以往研究成果來看，不同的節點形式對結構的耐火極限影響較大，所以非常有必要研究結構節點的抗火性能。

Han等[45]報道了2個SRC梁柱節點的抗火試驗，并且建立了有限元分析模型計算節點的抗火性能，計算結果與實驗數據吻合較好。通過理論研究發現梁柱線剛度比越大，節點的耐火性能越差。SRC梁柱節點在火災作用下，型鋼與混凝土間的滑移大于鋼筋與混凝土間的滑移;型鋼翼緣與混凝土間的滑移大于腹板與混凝土間的滑移;梁中型鋼與混凝土間的滑移大于柱中型鋼與混凝土間的滑移。

高志新[46]對3個SRC柱-RC梁節點進行火災試驗，得到節點區和非節點區的溫度場。試件自然冷卻之后再做低周反復加載試驗，研究其破壞現象和高溫后抗震性能。利用ABAQUS建立了SRC柱-RC梁節點的溫度場計算模型。

裘哲俊等[47]通過對火災后經過碳纖維加固和未加固2種情況的SRC梁柱節點進行低周反復試驗，對比2種情況下試件的滯回曲線、骨架曲線、承載力和延性、耗能能力，發現火災后節點加固可以有效提高其抗震性能。

5 型鋼混凝土結構平面框架的抗火性能研究

譚清華[48]制作了十榀SRC柱-RC梁平面框架，研究其在外荷載和全過程火災作用的試驗現象、溫度場分布、變形情況、耐火極限和剩余承載力，開發了考慮混凝土高溫爆裂、混凝土高溫徐變、瞬態熱應變等影響的計算程序，用以模擬計算全過程火災作用后的SRC柱-RC梁平面框架力學性能，模型得到實驗驗證。基于此模型，分析各參數對火災下型鋼混凝土平面框架柱計算長度系數的影響，給出其簡化計算方法。

王廣勇等[49]利用ABAQUS建立了3層三跨型鋼混凝土平面框架火災力學計算模型，分析其在9種火災工況作用下的力學性能和破壞規律。 研究表明，在火災作用下型鋼混凝土平面框架的破壞模式有內柱破壞導致框架破壞、邊柱破壞導致框架破壞、混合破壞3種模式。同時提出對于框架結構需注意火災下抗連續倒塌的設計。

謝福娣和武志鑫等[50，51]進行了SRC柱-SRC梁-RC樓板單層單跨平面框架的全過程火災力學試驗，探究平面框架的溫度場分布、耐火性能和火災后力學性能。利用ABAQUS建立在外荷載和全過程火災作用下型鋼混凝土平面框架的有限元模型，計算結果得到試驗數據驗證。利用此模型，分析了受火時間、軸壓比、梁跨中彎矩等參數對火災后型鋼混凝土平面框架滯回曲線、骨架曲線、延性性能和耗能性能的影響。

6 結論與展望

雖然國內外學者在型鋼混凝土結構抗火性能方面已取得豐碩成果，但是有些問題還需要進行更加深入細致的研究，形成系統的型鋼混凝土結構抗火設計實用方法。

①研究所用的升降溫曲線與實際建筑火災升降溫曲線有一定的出入，應考慮真實火災特性。一般室內空間100m2左右，而很多公共建筑空間體積較大，大空間、大跨度建筑的火災特性研究數據匱乏。

②全過程火災作用下建筑材料性能研究結果數據離散，有的差距較大，需要深入研究。實際結構中建筑構件往往不是單向受力，常常處于多向受力狀態，為準確反映建筑結構火災力學性能，需研究火災下建筑材料的多軸力學性能。目前關于混凝土和鋼材的高溫多軸力學性能研究報道極少，有待進一步研究。

③結構火災試驗技術和裝置有待改進，以增加實驗數據的準確性。

④近年來，超高層建筑不斷涌現，很多超高層建筑采用了承載能力更高的巨型型鋼混凝土構件。而對于巨型型鋼混凝土結構的抗火性能研究還是空白，建議開展相關研究。除此之外，高強型鋼混凝土結構、已加固型鋼混凝土結構和火災后型鋼凝土結構加固修復研究只見極少的報道，需進一步深入研究。

⑤火災作用下可能引起建筑物連續倒塌，造成嚴重后果，而對于火災下結構倒塌破壞的規律尚缺乏研究，需深入研究火災下結構連續倒塌機制，為火災作用下結構抗連續倒塌設計提供參考依據。

⑥現行的抗火設計方法還處于對特定情況的抗火設計作出明確規定的“處方式”階段，設計方案有時偏保守有時又不安全。結構性能化抗火設計方法基于建筑整體消防安全目標制定解決方案，是一種先進而更加合理的抗火設計方法，雖已取得一定成果，但仍是一個有待研究的課題。

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