初始缺陷对钢—混组合梁抗火性能影响研究综述

郑志远 张裕锦 胡俊峰

(中建三局绿色产业投资有限公司，湖北 武汉 430040)

火灾是现代社会中较为常见的一种灾害，室内火灾其温度一般可达800 ℃～1 000 ℃，这对建筑结构的承载性能有很大的负面影响。一旦建筑物发生火灾，梁柱构件的抗火性能是整体建筑稳定的重要保障与前提，若建筑自身有一定的抗火能力，则能够给予人们充足的时间进行疏散与逃离，故对其进行抗火研究是十分有必要的[1，5]。在实际工程中，构件由于受到制作、加工、运输及安装等因素的影响，钢梁会产生一定的缺陷，这些缺陷对钢梁的抗弯刚度及极限承载力产生一定影响，其中影响较大的缺陷主要是初始几何缺陷(初弯曲、初偏心等)和残余应力(热轧、焊接、火焰切割等)[2]。在对结构进行受力分析时不能忽略，尤其是高温下组合梁的抗弯刚度会显著降低，此时初始缺陷对其影响可能更为不利。因此，对带有初始缺陷的预应力组合梁进行抗火性能研究很有意义。

1 国内外研究现状

1.1 初始缺陷对钢梁的受力性能影响

对钢梁影响较大的初始缺陷一般是初始几何缺陷与力学缺陷，其中初始几何缺陷是构件产生一定的初弯曲、初扭转及初偏心，力学缺陷是指钢梁纵向的残余应力[3]。目前，国内外学者对带有初始缺陷钢梁的受力性能进行了相关的试验研究和数值模拟，梁的结构形式包括等截面与变截面H型梁、波纹腹板H型钢梁以及冷弯薄壁腹板开孔C型钢梁等；受力性能如钢梁抗弯、抗剪以及稳定承载力等，并取得了一定成果，研究表明：

1)初始几何缺陷对H型(钢)梁和C型(钢)梁的稳定性能有一定影响，其影响幅度主要取决钢梁的破坏形式，而梁的破坏形式一般也与结构形式有关[4]；2)钢梁腹板和翼缘越薄则初始缺陷的敏感性越强[5]；3)相比于普通钢，残余应力对高强钢梁承载性能的影响更为不利[6]；4)残余应力的分布模式也受钢梁截面形式的影响，截面形式不同残余应力发挥的效应也不同，一般残余应力会使钢梁过早的进入塑性，容易使钢梁发生局部畸变失稳破坏，从而降低了梁的稳定性能和承载能力[7]；5)初始几何缺陷对波纹腹板钢梁抗剪性能的影响较小，但对翼缘的弹塑性屈曲承载能力起到一定不利影响[8]；6)初始几何缺陷越大，高温下波纹腹板钢梁的侧向刚度越弱，临界温度越低[9]。

1.2 初始缺陷对普通组合梁受力性能的影响

初始缺陷对组合梁受力性能影响方面的研究则相对较少。大多数学者将研究目标集中在常温和高温下组合梁的抗弯性能上，并做了一定试验和大量参数分析，仅少部分学者考虑了初始几何缺陷和残余应力对组合梁常温下受力性能的影响[10,11]，而对在高温下带有初始缺陷组合梁的受力性能尚未作出系统研究。

1.3 初始缺陷对预应力组合梁受力性能研究

预应力组合梁作为一种新型结构在许多超高层建筑以及大跨度桥梁中备受青睐，对于预应力组合梁在常温下的受力性能已有部分相关研究：

1)抗弯性能。相关文献[12][13]通过试验与理论分析的方法，分析了预应力变化、内力重分布效应、滑移变形、曲率分布规律、应力分布模式和塑性铰形成特性等。文献[14]通过试验研究了预制预应力混凝土板组合梁的弯曲性能，肋板放置方向、配筋率、重叠宽度对组合梁的弯曲性能有一定影响，混凝土板厚与栓钉链接程度的影响较小。文献[15][16]通过试验与理论分析的手段，分析了组合梁内力重分布的过程及拉索对负弯矩区抗弯刚度的影响，认为预应力的施加能显著提高梁的截面弯曲刚度，缓解负弯矩区混凝土板裂缝的发展，抗剪链接程度对组合梁的抗弯性能也有一定影响。文献[17]通过试验手段研究了内置H型钢预应力组合梁的弯矩重分布规律，并提出了带有相关弯矩调幅系数的承载力计算公式。文献[18]对采用试验手段分析了预应力型钢超高强混凝土组合梁的破坏形态与机理，认为梁破坏时仍具有一定的剩余承载力，并提出了预应力型钢超高强度混凝土组合梁正截面受弯承载力计算公式。2)屈曲性能。文献[19]采用有限元方法研究了常温下预应力组合梁的整体与局部受力性能及整体失稳和负弯矩区局部屈曲等复杂特性。3)挠度性能。文献[20]对体外预应力钢—混凝土组合梁长期挠度效应进行了试验研究分析，认为施加预应力在较大程度上可减小组合梁的附加挠度，初始有效预应力值越大，组合梁的跨中附加挠度也越小。

2 现今研究存在的问题

综上所述，目前对于高温下预应力组合梁受力性能的相关研究非常稀少，仅有文献[21][22]通过试验手段与有限元方法等对高温下体外预应力简支与连续组合梁进行了参数分析，提出了合理的预应力简支组合梁在高温下的受力模型；在对带有初始缺陷的预应力组合梁的抗火性能研究更需开展。

3 展望

1)目前还没有学者对此做过相关试验，尤其是对于初始几何缺陷和残余应力的施加与测量在实际中有一定困难。若条件允许，可进行相关试验研究，了解初始缺陷对预应力组合梁在火灾下的真实力学响应。2)钢材等级不同，初始几何缺陷对组合梁性能的影响也不同。同时相关研究表明，高强钢H型钢残余应力分布模型也与普通钢不同，因此对高强钢—混凝土组合梁的研究也很有意义。3)在实际工程中，波纹腹板及腹板开洞组合梁的应用也比较广泛，高温下初始几何缺陷对其影响可能会更为显著，在今后研究中也有必要展开相关工作。