型钢混凝土柱抗火性能研究

摘要：型钢混凝土结构的应用日益广泛，关于其常温下的力学性能研究较多，而有关型钢混凝土结构抗火性能方面的研究较少。在火灾作用下，结构内部产生温度场，钢材和混凝土在高温下材料力学性能恶化。型钢混凝土结构在火灾下和常温下的承载力和变形有很大不同。在对比分析各学者提出的材料高温力学性能的基础上，选取合适的力学性能参数，利用ABAQUS建模，模拟型钢混凝土柱在火灾下的受力情况。

关键词：火灾型钢混凝土柱高温力学性能数值模拟

ResearchontheFireResistancePerformanceofSteelReinforcedConcreteColumns

ZHANGQingwen

JiaxingVocationalandTechnicalCollege，JiaxingCity，ZhejiangProvince，314036China

Abstract：Theapplicationofsteel-reinforcedconcretestructuresisbecomingincreasinglywidespread.Therehasbeenmanyresearchontheirmechanicalpropertiesatnormaltemperatures，butfewstudiesontheirfireresistance.Undertheactionoffire，atemperaturefielddevelopsinsidethestructure，andthemechanicalpropertiesofsteelandconcretedeteriorateathightemperatures.Thebearingcapacityanddeformationofsteel-reinforcedconcretestructuresaresignificantlydifferentunderfireandatroomtemperature.Basedonthecomparativeanalysisofthehigh-temperaturemechanical&nbIaQFWUjbCDFV3Sa9TK194g==sp;propertiesofmaterialsproposedbyvariousscholars，thispaperselectsappropriatemechanicalpropertyparametersandusesABAQUStosimulatethemechanicalbehaviorsofsteel-reinforcedconcretecolumnsunderfire.

KeyWords：Fire;Steel-reinforcedconcretecolumn;High-temperaturemechanicalproperties;Numericalsimulation

随着建筑物高度的增加，使用电器的增多，建筑火灾已经成为危害人民生命财产安全和城市公众安全的主要灾害之一。高楼建筑火灾情况复杂，人员疏散困难，火灾扑灭难度较大。2018年“8·25”哈尔滨酒店火灾事故大火持续燃烧3.5h[1]；2021年大连市凯旋国际大厦发生火灾，大火持续燃烧7h[2]。火灾作用下，建筑材料承载力下降，力学性能不断恶化，可能造成建筑物局部损坏甚至整体倒塌[3]。过火后，建筑物的力学性能需要进一步评估以确定加固方案。型钢混凝土是由型钢、钢筋和混凝土组成协同工作的一种结构形式，具有良好的承载力和抗震性能，刚度大，经济效益较好，得到了越来越广泛的应用[4]。本文对钢材和混凝土的火灾力学性能进行了分析，建立了钢筋混凝土柱的温度场模型[5]。在此基础上，进一步模拟分析型钢混凝土轴压柱在高温作用下的力学性能。

1钢材和混凝土高温力学性能

发生火灾时，在热对流、热幅射和热传导等物理作用下，建筑结构内部产生温度场。混凝土和钢材随着温度的变化，力学性能也发生改变。确定混凝土和钢材的高温力学性能对研究型钢混凝土柱在火灾下的承载力、变形情况和抗震性能等力学表现至关重要。

1.1钢材的高温力学性能

1.1.1钢材屈服强度

钢材的屈服强度随温度升高而下降，温度升到500℃左右时钢材屈服强度下降到常温时的一半。通常用屈服强度降低系数来表示屈服强度随温度的变化情况。屈服强度降低系数指的是高温下钢材的屈服强度与常温下钢材的屈服强度的比值。根据欧洲规范EC3与EC4、澳大利亚钢结构标准AS4100、欧洲钢结构协会ECCS给出的计算公式，绘制钢材的屈服强度降低系数曲线图如图1所示。

1.1.2钢材弹性模量

钢材的弹性模量随温度升高而下降，温度超过500℃左右时，钢材弹性模量急剧下降，大约在800℃时降为0。弹性模量降低系数指的是高温下钢材初始弹性模量与常温下钢材的弹性模量的比值。根据欧洲规范EC3与EC4、澳大利亚钢结构标准AS4100、欧洲钢结构协会ECCS给出的计算公式，绘制钢材的弹性模量降低系数曲线图如图2所示。

1.1.3钢材应力-应变关系

钢材的应力-应变曲线大致分为分段直线型和光滑曲线型两类。其中，光滑曲线模型更加接近真实的应力-应变关系。本文根据LIE[6]提出的高温下钢材应力-应变表达式，绘制不同温度下钢材的应力-应变曲线如图3所示。

1.2混凝土的高温力学性能

1.2.1混凝土抗压强度

混凝土主要用来抵抗压力，抗拉强度较小。在高温下，混凝土的抗压强度随温度升高而下降，温度升到900℃以上时，混凝土几乎丧失了抗压能力。通常用混凝土抗压强度降低系数来表示混凝土的抗压强度随温度的变化情况。混凝土抗压强度降低系数指的是高温下混凝土的抗压强度与常温下混凝土抗压强度的比值。根据EC3与EC4，以及LIETT等人[6]、过镇海等人[7]给出的计算公式，绘制混凝土的抗压强度降低系数曲线图如图4所示。

1.2.2混凝土弹性模量

混凝土的弹性模量比抗压强度受温度影响更大，温度在200～300℃之间时，弹性模量降低一半。根据过镇海等人[7]、陆洲导[8]、钮宏等人[9]、李引擎等人[10]给出的计算公式，绘制混凝土的弹性模量降低系数曲线图如图5所示。

1.2.3混凝土应力-应变关系

混凝土的应力-应变曲线随着温度升高呈现扁平化趋势，高温下混凝土的峰值应力减小，应变增大。本文根据LIE[6]提出的高温下混凝土的应力-应变表达式，绘制不同温度下混凝土的应力-应变曲线如图6所示。

2火灾下型钢混凝土轴压柱力学模型

利用大型有限元软件ABAQUS建模，混凝土采用实体单元，型钢采用壳单元，钢筋采用杆单元。赋予材料热工性能参数，考虑热对流、热幅射和热传导的作用，计算型钢混凝土柱在ISO-834标准升温曲线下的温度场。然后，把温度场导入型钢混凝土轴压柱的力学模型中，模拟火灾中型钢混凝土轴压柱的受力情况。火灾下，柱子外围升温较快，内部升温慢，内力发生重分布。

3结论

基于本文的研究成果，可以得到以下结论：（1）火灾作用下钢材和混凝土的力学性能均有不同程度的劣化。火灾时间越长，温度越高，材料的强度下降越明显。（2）大型有限元软件ABAQUS可用来模拟高温下型钢混凝土柱的受力过程。火灾中型钢混凝土柱内力发生重分布，柱子承载力大幅下降。

参考文献：

[1] 郭姝婷.哈尔滨“8·25”重大火灾事故调查报告公布[EB/OL].（2019-02-01）[2024-04-13].https：//m.huanqiu.com/article/9CaKrnKhENF.

[2] 张莹.大连“门”形高楼大火系电动平衡车充电引发，大厦住户已获3个月房屋安置金[EB/OL].（2021-09-13）[2024-04-13].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1710757561095643841&wfr=spider&for=pc.

[3] 卫璇.钢管混凝土异形柱及其框架结构耐火性能研究[D].重庆：重庆大学，2022.

[4] 巩贤港.火灾下型钢混凝土T形柱的耐火性能分析[D].济南：山东建筑大学，2022.

[5] 章晴雯.火灾下钢筋混凝土柱温度场有限元模拟分析[J].科技与创新，2023（19）：80-82，85.

[6] LIETT.Factorsaffectingthefireresistanceofcircularhollowsteelcolumnsfilledwithbar-reinforcedconcrete[R].NRC-CNRCInternalReport，1993.

[7] 过镇海，李卫.混凝土耐热力学性能的试验研究总结[R].北京：清华大学土木工程系，1991.

[8] 陆洲导.钢筋混凝土梁对火灾反应的研究[D].上海：同济大学，1989.

[9] 钮宏，马云风，姚亚雄.轻骨料混凝土构件抗火性能的研究[J].建筑结构，1996，7：29-33.

[10] 李引擎，马道贞，徐坚.建筑结构防火设计计算和构造处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1991.