钢筋混凝土构件抗火性能研究进展

王科

山东建大建筑规划设计研究院

钢筋混凝土构件抗火性能研究进展

王科

山东建大建筑规划设计研究院

基于近年来对于钢筋混凝土抗火性能的研究，本文主要对钢筋混凝土构件抗火性能的研究现状进行了总结，并对其研究方向进行了展望。

钢筋混凝土；构件；抗火性能

1 前言

近几年，随着国民经济的飞速发展以及城市化水平的进一步提高，人口稠密度越来越大，高层建筑也纷纷拔地而起，相应的，火灾发生的频率和危险性也越来越高，给人类的生命和财产造成了前所未有的损失。

据联合国世界火灾统计中心2000年资料，全球每年约发生火灾600万～700万次，全球每年死于火灾的人数65000～75000人。其中，建筑火灾发生的次数最多，造成的损失最大，其危害性也居首位。例如：在2001年“9.11”事件中，位于美国纽约曼哈顿的世界贸易中心（World Trade Center）两座110层411m高的钢结构大楼因飞机撞击而引发倒塌，造成2830人死亡。经过美国联邦紧急救援委员会（FEMA）等组织的调查研究，World Trade Center大楼倒塌其根本原因是飞机撞击引发的建筑火灾造成的。[1]

因此，研究建筑火灾，特别是占主导地位的钢筋混凝土建筑结构的抗火性能意义十分重大，而对于钢筋混凝土材料及构件的研究则是钢筋混凝土结构研究的基础。

国外对于钢筋混凝土结构抗火研究始于20世纪50年代，主要研究机构有美国混凝土协会、欧洲国际混凝土协会等，研究内容为混凝土高温材性，板、梁、柱等构件及框架的火灾中及火灾后的性能。

国内对于钢筋混凝土结构的抗火研究则较晚，直至上世纪80年代中后期才开始对混凝土材性、构件和结构的受火性能进行研究[2-5]。

2 升温曲线及温度场

2.1 升温曲线

升温曲线即反应温度随时间变化的曲线。由于火灾发展将经历火灾初起阶段、火灾全面发展阶段和火灾熄灭阶段三个阶段，影响温度-时间曲线的因素很多，要准确预先确定火灾发展过程（温度-时间曲线）是困难的。因此，各国为了使火灾试验和研究有一个系统的标准，即增强可比性，纷纷制订了标准升温曲线。国际上很多国家和组织如：美国、英国、比利时、意大利、瑞士、日本等[1]都制订了标准的室内火灾升温曲线。我国采用较多的是国际标准化组织（ISO）制订的ISO834标准升温曲线，表达式如下：

2.2 温度场

进行建筑室内火灾分析与研究，首先要建立反应火灾时室内空气温度分布及其随时间变化的模型。目前，常用的有区域模型（Zone Model）和场模型（Field Model）。区域模型是一种理想模型，在区域分层内部假设各参数均匀一致，而场模型是对所研究的空间进行离散，用数值方法求解出火灾各时刻的状态参数（温度、速度、组分的浓度、力的大小等）在空间中的分布，也就是场的概念。

3 构件的抗火研究

建筑构件的抗火研究是建筑结构抗火研究的基础，国内外学者研究的比较多的有柱、梁、板等，而对于节点的研究则是发展方向。

3.1 钢筋混凝土柱

柱是建筑结构主要的承重构件，其重要性不言而喻。抗震设计中“强柱弱梁”的设计原则便充分体现了这一点。柱在高温下，其受火面有一面、二面、三面和四面之分。如为均匀受火，例：四面受火，轴压柱破坏由混凝土强度决定，偏压柱则主要因侧向挠度过大而失效。如处于非均匀受火状态，其温度往往不均匀。在高温下，高温区钢筋混凝土性能劣化，承载力降低，因此其竖向承载力多由非高温区（或相对低温区）承担，如受火不均匀，轴压柱在高温下往往处于实际的偏心状态，即强度中心与几何中心不重合，对受力不利。吴波等通过对5根高强混凝土柱和2根普通混凝土柱的明火试验，考察了不同受火方式对混凝土柱破坏形态、轴向变形和耐火极限的影响。[6]结论如下：非四面受火柱的耐火极限较四面受火柱有很大提高，同时三面受火柱的耐火极限小于两面受火柱；相同受火方式和相同轴压比下高强混凝土柱的耐火极限远低于普通混凝土柱；相同受火方式下大轴压比普通混凝土柱的耐火极限可能小于中等轴压比的高强混凝土柱。另外研究还发现，柱在恒载升温情况下的承载力高于恒温加载，其它试验方法承载力介于两者之间。原因可能是由于恒载对于构件的变形和裂缝发展有一定的约束作用。

3.2 框架节点

现代钢筋混凝土结构中，对于构件抗火性能研究已经做了大量的工作，而对于火灾下及火灾后钢筋混凝土框架节点的研究鲜见文献。对于梁柱节点在高温下的性能研究，也多为非混凝土构件。如1976年法国的Kruppa进行了钢节点的火灾试验研究，随后英国钢铁公司在1982年完成了类似的实验研究工作，他们主要考察高强螺栓在火灾下的工作性能。Lawson进行了8个十字形梁柱节点在ISO-834标准升温曲线控制的火灾作用下的实验。Wang和Davies报到了8个钢梁和矩形钢管混凝土柱节点在火灾下性能的实验研究成果，节点连接采用的是外伸式端板连接等。国内清华大学、福州大学等对钢管混凝土梁柱节点进行了比较深入的研究。霍静思等对火灾后钢管混凝土柱-钢梁节点的滞回性能进行了研究，结论如下：节点强度退化不明显，即使达到破坏荷载通常仍能继续承受荷载；钢管混凝土柱-钢梁节点具有较好的延性和抗震耗能能力，随着柱轴压比的增大，节点的延性降低，耗能能力变化不大；节点域的剪切变形对结构变形的影响可忽略不计。

国内对于火灾下及火灾后钢筋混凝土梁柱节点的研究鲜有报道，仅傅传国、王广勇等在山东建筑大学火灾实验室进行了钢筋混凝土框架节点在火灾中及火灾后的试验研究。研究现已得出初步结论：提出了框架节点在ISO-834标准升温曲线作用下的温度场分布规律、变形规律、破坏规律（节点核心区的温度较梁柱截面温度低；梁内端附近首先破坏的截面没有发生在梁柱相交的最大弯矩截面，而是向外移动了一段距离，因为核心区温度低于梁中部温度，所以截面向高温的外部移动；梁底部的裂缝开展较宽，梁截面的破坏形态为弯曲破坏，而没有发生剪切破坏）；轴向压力增加使截面的延性降低，升温时间的延长使截面的延性增加；单室火灾下，升温过程中各截面发生明显的内力重分布，受火梁柱的热膨胀是结构内力变化的主要原因，柱端弯矩的内力重分布程度大于梁端弯矩。这些研究必定为钢筋混凝土梁柱节点的耐火性能研究打下坚实的基础。

4 结语

随着国民经济的飞速发展，对于建筑抗火性能的要求也越来越高，研究及发展建筑构件及结构的抗火性能，特别是广泛应用的钢筋混凝土结构的抗火研究越来越受到人们的重视。钢筋混凝土构件的抗火性能研究已经有据可循，但梁柱节点的研究才刚刚起步，将成为下一步的研究重点。节点及构件是组成钢筋混凝土结构的部件，对其科学系统的研究，必定为框架结构等在火灾中及火灾后的力学性能和抗火设计方法的研究奠定基础。

[1]李国强,韩林海,楼国彪,蒋首超.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[S].中国建筑工业出版社.

[2]时旭东,过镇海.高温下钢筋混凝土受力性能的试验研究[S].清华大学,2000(6).

[3]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[S].清华大学出版社.

[4]张智梅,叶志明,刘涛.钢筋混凝土结构抗火研究进展[J].自然灾害学报,2005(1).

[5]刘利先,吕龙,刘铮,王海莹.高温下及高温后混凝土的力学性能研究[J].2004(11).

[6]吴波,唐贵和,王超.不同受火方式下混凝土柱耐火性能的实验研究[J].2006(6).