小议钢管混凝土结构抗火力学性能

张忠珍

摘 要:本文简要介绍了钢管混凝土火灾中(后)力学性能的研究现状,探讨了组成钢管混凝土的钢管及核心混凝土在火灾中(后)的相互作用以及钢筋混凝土结构抗火性能研究的几个关键问题。

关键词:钢管混凝土 抗火力学性能

一、前言

钢管混凝土是在劲性钢管混凝土和螺旋混凝土的基础上演变和发展起来的在钢管中填充混凝土的组合结构。在受力过程中,利用钢管对混凝土的环向约束作用使混凝土处于复杂应力状态,从而使得混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善。

国内外大量的耐火研究和工程实践表明,钢管混凝土具有较好的耐火性能,主要表现在:(1)钢管对核心混凝土起到约束和保护作用,不仅提高了构件的承载力,而且避免了混凝土的高温爆裂现象;(2)核心混凝土的存在可以延缓构件局部屈曲,从而能提高钢管混凝土的耐火性能;(3)火灾后,随着外界温度的降低,钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复,截面的力学性能比高温下有所改善,结构的整体性比火灾中也有所提高。

二、钢管混凝土结构研究现状

我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。这在很大程度上制约了钢管混凝土结构在各类建筑中的推广与应用,而且对已建或在建钢管混凝土结构建筑物的耐火等级的确定缺乏必要的科学依据,由此造成很大程度上的安全隐患。

近年来,我国研究者开始了对圆形和方形截面的钢管混凝土结构的耐火性能的研究工作,研究工作主要从两个方面入手:一是研究钢管混凝土结构火灾下的力学性能,用于确定其耐火极限,为制订钢管混凝土的防火设计规范做准备工作;二是研究钢管混凝土结构火灾后的力学性能,用来确定钢管混凝土火灾后的残余承载力,为钢管混凝土结构火灾后的维修与加固提供理论依据。

三、火灾作用下钢管混凝土结构的力学性能

国内外学者已对钢管混凝土柱耐火极限进行了系统的研究,经过国内外学者多年的研究表明:由于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土在火灾时的相互作用,使钢管混凝土具有比钢结构和钢筋混凝土结构更好的耐火性能。首先,由于核心混凝土的存在,使钢管在受火时的温度升高较单纯钢结构的升温大为滞后,在温度升高的初期,钢管将吸收的热量传导给其内部的混凝土,混凝土在吸收了热量温度升高后,由于钢材在200℃左右时,强度略高于常温状态,混凝土在温度300℃以下时,强度基本不发生变化,并且因混凝土的自蒸过程和二次水化等综合作用,使混凝土硬化,抗压强度还有一定提高,同时产生的水蒸汽对钢管产生了降温作用,使得钢管混凝土结构的防火性能和耐火极限远远高于在同等火灾情况下的钢结构;同样,由于外部钢管的存在,使处于核心区域的混凝土在火灾高温状态下不发生表面爆裂,使高温下的混凝土整体性保持完好,即使混凝土因高温强度完全丧失,也会在外部钢管的约束作用下仍能承担一部分荷载,使得钢管混凝土结构的防火性能和耐火极限也高于同等火灾情况下的钢筋混凝土结构。其次,由于组成钢管混凝土的钢管和混凝土之间具有相互贡献、协同互补的特点,当温度升高时,两种材料共同工作,共同承担温度升高后造成的荷载分布的变化,能够发挥两种材料各自的优良性能。

四、火灾作用后钢管混凝土结构的力学性能

高温作用后钢管混凝土的力学性能发生了很大的变化,而且这种变化是与钢管和混凝土的相互协同工作分不开的。对于钢管来说,一般认为高温后其力学性能基本恢复,屈服极限和弹性模量与常温相同或降低很少,应力—应变关系可类似于常温时的情况,可用理想弹塑性或硬化弹塑性的形式表示。而混凝土在温度较低时,强度下降不大,即使在高温状态下,也由于外部钢管的约束,仍保持良好的整体性。火灾后随着外界温度的降低,钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度得到了不同程度的恢复,结构的整体性比火灾中有所提高。

在火灾后,钢管混凝土构件的强度可以根据外界条件的不同得到不同程度的恢复,结构的力学性能和整体性与高温状态时比有较大程度改善。而相同条件下钢结构或钢筋混凝土结构则不具备这种能力。钢结构在经历火灾后,普遍会因遭受超过界限温度的高温而造成结构失稳,使结构扭曲并产生较大的变形,即使在温度降低后结构强度有一定程度的恢复,但建筑物的整体性己被破坏,无法通过维修继续使用;同样,钢筋混凝土结构在持续高温作用下,混凝土表面会产生裂缝,甚至发生爆裂,严重的会造成钢筋与混凝土分离,使结构基本丧失承载力,即使在高温作用时间不长的情况下,有可能保持一定的整体性,但由于混凝土性质发生不可逆的化学变化,结构基本上不存在修复并继续使用的价值。而钢管混凝土则由于钢管和混凝土的协同互补、共同工作的优势。使经历火灾的钢管混凝土结构的强度和刚度能够大部分恢复,结构完整性和可修性远远高于同等条件下的钢结构和钢筋混凝土结构。这不仅使得经历火灾的建筑结构的拆除重建率大大降低,具有十分明显的经济效益。而且对于结构的维修和加固补强的工作量大为减少,并在降低维修和加固费用的同时减少了自然资源的浪费,也具有十分明显的社会效益。

五、钢管混凝土结构抗火力学性能研究的几个关键问题

对钢管混凝土结构的抗火性能研究已经取得了较系统的成果,但仍处于起步阶段。由于试验设备和方法的限制,对于影响其抗火性能的诸多因素不能完全加以考虑,在研究方法上也有很多有待完善的地方。钢管混凝土结构的抗火性能研究的趋势是:(1)考虑结构整体空间作用,以整体结构在火灾下承载力极限状态取代目前的以单根构件的承载力极限状态进行更为合理的抗火设计;(2)考虑实际火灾燃烧模式,并把结构在火灾下的反应(即对结构在荷载和火灾共同作用下)和火灾后降温过程作为连续的过程加以研究,对不同的火灾模式、不同的荷载路径和不同的温度史及温度—应力史(升温、降温和反复升降温)加以研究,综合考虑结构对荷载和温度共同作用下的反应,对结构的内力和变形性能进行全过程分析,建立更为合理、经济的抗火设计方法,以减少结构抗火设计费用。

六、结束语

钢管混凝土耐火力学性能的研究由于试验条件所限,并没有得到很好的解决,进一步研究钢管混凝土结构的抗火力学性能是十分必要和迫切的。因此,研究者需要抓紧钢管混凝土结构抗火的关键问题,进一步对其进行研究,并在理论研究与工程实践相结合的基础上制订钢管混凝土结构抗火规程。

参考文献:

1.栾波,刘明,尹晓明.钢管混凝土在火灾作用下(后)的性能-理论与发展[J].混凝土.2003(12):12～14.

作者单位:广西城市建设学校