RC底框架结构中柱在火灾中的截面破坏型式

屈立军，李焕群，李胜利，王跃琴，史可贞

(武警学院，河北 廊坊 065000)

●消防理论研究

RC底框架结构中柱在火灾中的截面破坏型式

屈立军，李焕群，李胜利，王跃琴，史可贞

(武警学院，河北 廊坊 065000)

为评估RC底框架结构的耐火性能，利用实体火灾试验研究框架中柱的截面破坏型式。结果表明，底框架中柱在火灾中可能发生3种破坏型式：斜压破坏、压溃破坏和弯曲破坏，并分别分析了3种破坏型式的发生条件。探讨了轴心受压柱高温承载力计算公式的适应性，得出该计算方法可以适用于压溃破坏和弯曲破坏型式，但不适用于斜压破坏型式。

底框架中柱；火灾；斜压破坏；压溃破坏；弯曲破坏

钢筋混凝土底框架商住楼是指在建筑底部1～2层采用钢筋混凝土框架体系，形成较大空间以作商业用房，在建筑上部2～10层采用砖混结构，常用作住宅。由于底框架结构造价较低，在非地震区中小城镇应用非常广泛。如2007至2010年间，湖南永州市共新建底框架商住楼为476栋，占新建建筑总数的35%。但是，底框架商住楼的耐火性较差，在火灾中可能发生失效倒塌。因此，研究底框商住楼的耐火性能，分析揭示其结构的破坏机理，对提高我国建筑结构的抗灾可靠度具有重要意义。

1 试验建筑概况

图1为试验建筑照片。试验共建造6栋相同建筑，采用碳骨料混凝土，41天抗压强度为23.9 MPa。钢筋采用HRB335,实际抗拉强度为353.3 MPa。梁、柱箍筋为HPB235。底部房间3.6 m×3.6 m×4.5 m(高)，采用单向框架，3根柱截面均为250 mm×250 mm,配4根16 mm钢筋，Φ6@200箍筋。横梁与板整浇，截面250 mm×500 mm，截面负钢筋4Φ16，正钢筋2Φ16，Φ6@200箍筋，楼板厚度120 mm，配10@200主筋(HPB235，双向)，板上未加荷载。中柱四面受火，2根边柱在砖墙内。砖墙厚度240 mm，MU10砖，M5水泥砂浆。为节省经费，底框架上部的砖混结构省略，采用3 m×3 m×2 m钢筋混凝土水箱，试验时注水对框架柱加载。试验前3个月，对水箱注水，对地基进行了预压。试验建筑分别编号为1、2、3、4、5、6号，其中1号和3号建筑仅采用水箱加载，中柱的标准加载比率(轴力标准值/当天承载力标准值)分别为0.283和0.176，其余2号、4号、5号、6号共4栋建筑采用水箱和简支钢梁重力加载系统共同加载，中柱的标准加载比率分别为0.298,0.394,0.39,0.391。

试验采用木方为燃料，点火后任其自由燃烧，直至结构失效倒塌。3号建筑因加载较小且火作用不够大，未能按预期失效倒塌，试验失败。2号建筑第一次也未失效，第二次点火在轰燃后40 min中柱失效。4号建筑在轰燃后223 min中柱失效，简支钢梁所加荷载卸载，结构自重及水箱荷载由边柱及墙体支撑，火持续20 min后建筑全部倒塌。5号建筑在轰燃后230 min中柱失效，6号建筑在轰燃后223 min中柱失效。1号建筑在轰燃后261 min中柱失效。1号、2号、5号、6号建筑中柱失效后，结构自重由边柱和墙体支撑未倒，直到试验结束后拆除。

图1 试验建筑照片

2 框架中柱的截面破坏型式

文献[1]已详细报告了火作用及结构的火反应，本文将主要报告和分析中柱的截面破坏型式。5次成功的倒塌试验表明，框架中柱在重力荷载和温度共同作用下，截面可能发生3种破坏型式：斜压破坏、压溃破坏和弯曲破坏。

2.1 斜压破坏

斜压破坏是指:破坏截面沿柱子轴线呈现一锐角角度斜向错位，如图2所示。

斜压破坏发生的条件是：柱子承受的轴力适中，由于加载或结构情况，或四周受火不均匀造成柱子承受一定的剪力，在剪应力和竖向压应力共同作用下，产生了与柱子轴线呈一定角度的主压应力，如图3所示。

当轴力和剪力产生的主压应力σcp大于柱子混凝土的强度，造成沿主压应力方向一致的斜向错位破坏，斜压破坏的内力分量是轴力和剪力。这种斜压破坏型式在常温混凝土柱的破坏试验中很少出现。由于目前的混凝土柱的承载力计算模型一般是引入材料强度随温度的衰减后采用与常温相同的模型，所以今后应进一步研究，建立适用于斜压破坏型式的高温承载力计算模式。

图2 斜压破坏

图3 斜压破坏截面应力状态

2.2 压溃破坏

压溃破坏是指：沿柱子轴线一定高度被压坏，纵向钢筋压屈，混凝土被压碎，典型破坏形状如灯笼状，类似于常温短柱的破坏形态，如图4所示。

图4 压溃破坏

压溃破坏发生的条件是：柱子所受轴力较大，四周受火较为均匀，柱子横向变形很小。当轴向压力大于柱子正截面钢筋和混凝土的承载力时，在柱子某一薄弱截面产生破坏，混凝土被压碎，纵向钢筋外屈，形似灯笼状，这与混凝土短柱的常温破坏试验非常相似。造成压溃破坏的内力分量只有轴力。图4中2号楼中柱的标准加载比率为0.298,但该破坏是在受第二次火作用下发生的，当混凝土在第一次火作用中，其强度已受到较大损伤，实际加载比率要大幅度增加。

2.3 弯曲破坏

弯曲破坏是指：破坏截面一侧受拉钢筋屈服，另一侧钢筋受压屈服，混凝土被压碎，类似于常温长柱的破坏形态，如图5所示。

弯曲破坏发生的条件是：柱子所受轴力较小，弯矩较大，柱子某个面及其对面受火很不均匀，两侧温差大，破坏前柱子横向变形明显增大。造成柱子弯曲破坏的内力分量是弯矩和轴力。本试验研究1号楼中柱是在图示箭头所示截面破坏后，引发了柱子下部分另一截面破坏，所以图5(b)显示了2个截面的破坏。

(a)破坏前 (b)破坏后图5 弯曲破坏

3 轴心受压柱高温承载力计算公式的适应性

由于钢筋混凝土框架中柱通常所受弯矩较小，其高温承载力一般按轴心受力构件计算[2]。轴心受压构件在高温下正截面达到其承载力极限状态时[3]，钢筋和混凝土均达到其高温下的设计强度，截面受力简图如图6所示。承载力计算公式为：

图6 轴心截面受压计算简图

上式实际上套用了常温轴心受压构件的承载力计算公式，是以短柱为基础，认为纵向钢筋和混凝土都达到了各自的抗压强度，然后引入纵向稳定系数以考虑长柱的纵向弯曲效应。由于压溃破坏机理与常温短柱相同，而弯曲破坏机理与常温长柱相同，引发其破坏的内力分量是轴力和弯矩，计算公式中已经考虑了轴力和弯矩的影响(弯矩影响以稳定系数φ间接体现)，所以用类似于常温承载力的计算方法来计算压溃破坏和弯曲破坏型式的高温承载力是合理的。但斜压破坏的破坏机理明显不同于压溃破坏和弯曲破坏，引发斜压破坏的内力分量是轴力和剪力，所以类似于常温承载力的计算方法不适用于斜压破坏情况。

4 结论与建议

钢筋混凝土中柱在火灾中可能发生3种破坏型式：当柱子所受剪力和轴力较大时发生斜压破坏，当柱子所受剪力较小而轴力较大且四周受火均匀时发生压溃破坏，当柱子所受轴力较小而弯矩较大或对面受火不均匀时发生弯曲破坏。

钢筋混凝土轴心受力构件的常温计算方法可以适用于压溃破坏和弯曲破坏型式，但不适用于斜压破坏型式，建议研究新的计算公式以考虑可能的斜压破坏。

[1] 屈立军，彭天国，李胜利,等.钢架混凝土底框架结构框架中柱耐火性能试验研究[J].土木工程学报,2011,44(2)：50-57.

[2] 宋玉普，王清湘.钢筋混凝土结构[M].北京：机械工业出版社,2004：117-119，187-189.

[3] 屈立军，李胜利，李焕群,等.底框架结构的耐火极限数值分析[J].消防科学与技术,2011,30(7)：557-562.

(责任编辑 马 龙)

Section Failure Mode of RC Bottom Frame Interior Column in Fire

QU Lijun, LI Huanqun, LI Shengli, WANG Yueqin, SHI Kezhen

(TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In order to evaluate the fire resistance capability of RC bottom frame, the section failure mode of its interior column had been studied, using the real fire tests. The results show that: There would be 3 kinds of section failure modes of interior column of bottom frame under fire, diagonal compression failure, crush failure, flexure failure, and analyses the condition that occur three kinds failure modes respectively. The thesis discussed adjustability of the calculate formula of which the carrying capacity for axes-compressed column under high temperature, the calculate method only fit with the modes of crush failure and flexure failure, but not suit for the modes of diagonal compression.

interior column of bottom frame; fire; diagonal compression failure; crush failure; flexure failure

2015-02-28

国家“十一五”科技支撑计划项目“典型社会公共场所突发事件应急处置关键技术研究”子专题“底框架商住楼在火灾中倒塌时间预测研究”(2006BAK06B05-1)

屈立军(1957— )，男，陕西商州人，教授，从事建筑结构耐火设计与评估研究和教学工作； 李焕群(1974— )，男，湖南邵东人，副教授； 李胜利(1975— )，男，河南商丘人，副教授； 王跃琴(1978— )，女，天津静海人，副教授； 史可贞(1985— )，男，陕西兴平人，讲师。

TU375.4；D631.6

A

1008-2077(2015)06-0005-04