谈钢—混凝土组合结构耐火性

陈万昊 齐国强 李 腾

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院,山东 青岛 266590； 2.青岛太昊工程测试有限公司，山东 青岛 266590)

谈钢—混凝土组合结构耐火性

陈万昊1齐国强2李 腾1

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院,山东 青岛 266590； 2.青岛太昊工程测试有限公司，山东 青岛 266590)

简要介绍了钢—混凝土组合结构的形式、优势及其抗火性能，运用ANSYS软件，分析了钢管混凝土的截面温度场分布，体现了其优越性，并总结了常见的耐火保护方法，以供参考。

钢—混凝土，钢管，温度场，耐火性

自人类建筑开始发展之日起，无数的自然以及人为灾害都是困扰建筑人士和广大居民的一个重大问题。相对于自然灾害，各种由于管理不善或者粗心造成的灾害更应引起人们足够的重视，火灾作为一个常见的灾害，每年都会带走无数宝贵的生命，对人们的生命财产造成不可估量的损失。火灾的发展过程已经被人们所熟知。自火灾开始发生直到火灾结束的全过程大致可分为起始、旺盛、衰退三个阶段。而在这一系列的过程中主要是通过第二阶段火场的快速升温以及火焰的蔓延对建筑结构的各种承重构件诸如梁、柱等造成严重伤害甚至使承重构件退出工作导致建筑物倒塌。随着钢—混凝土组合结构在建筑工程中的使用越来越普遍同时也越来越广泛，此类结构的防火安全问题也逐渐进入广大建筑行业人士的视线范围内。

钢—混凝土组合结构作为新兴的一种新型的承重构件与目前在各种建筑中广泛使用的钢筋混凝土构件相比主要是添加了钢材这种材料，使得两种材料共同受力、相互约束进而达到承载能力的提升。建筑人士普遍承认混凝土构件在加入型钢或钢管等材料后力学性能会得到大幅提升,由于同时具备了混凝土的抗压性能并且有钢管的约束作用，在相同条件下普通钢筋混凝土已经退出工作时钢—混凝土组合结构仍旧具有相当程度的承载力，所以受到了工程界的普遍重视和青睐,采用这种新型组合结构的建筑不断涌现,技术也在不断提升，大部分取得了良好的建筑效果和经济效益,其典型的截面形式主要有方形、圆形、矩形等几种形式，如图1所示。目前,有些学者在钢—混凝土组合结构领域也在不断创新，不但开始对中空夹层钢管混凝土(主要是在同心放置的内外两层钢管之间浇灌混凝土进而形成的构件)开始研究,还对双层实心钢管混凝土构件(与中空夹层钢管混凝土钢管相比没有中空部分，中心有核心混凝土)进行研究，使得钢—混凝土结构不断发展。现今建筑行业对于承重能力好，抗火性能高的建筑材料和构件的追求从未停止过，而这种新形式的组合构件的出现同时具备了承重能力好、自重轻、耐火性更加优良等优点。除此之外,钢—混凝土组合结构的组合形式更加灵活多样，例如在其中加入型钢就变成了型钢混凝土柱或者型钢混凝土梁，外加钢管就变成了钢管混凝土柱等。现在建筑行业主要是使用在混凝土中配置型钢(如工字钢、钢管等)、钢筋等经过长期发展并且技术较为熟练的方式,利用这种方法做出的梁或柱的受力性能相较于钢和混凝土两种材料的简单叠加同样有较大优势。

作为一种由多种材料组成的构件，想要了解钢—混凝土结构的受热性能就必须对它的各个组成有一定的了解。相对而言钢材一般是在构件的外部，因此对于钢材的了解必须放在第一位。普通钢结构构件在达到屈曲强度时会产生较大的塑性变形,这种塑性变形十分明显，使用肉眼就可轻易观察和识别。多年来，经过大多数建筑以及科研人员的研究,普通钢材在温度低于600 ℃并且处于恒定荷载作用下时,材料的变形过程可以考虑为不依赖于时间的过程,在这种情况下，钢材的徐变对于构件的影响可以包括在应力—应变关系中(图2是高温下某低碳钢的应力—应变曲线)。在起始温度为20 ℃时,该低碳钢能承受280 N/mm2左右的应力，此时应变约为2.0 mm;当温度达到600 ℃的临界温度时,应变同样为2.0 mm时,只能承受约55 N/mm2的应力,两相对比差了大约5倍。由此可以看出,要使钢结构构件的承载能力得到充分有效的发挥，钢材温度的控制就成了必须解决的问题。

其次，对于混凝土这种材料而言，其承受竖向荷载的能力相对较强而抗拉效果却非常之差，因此一般构件都将混凝土作为承重构件。在火灾作用下的混凝土在温度达到400 ℃以上时由于温度的原因其力学性能会严重恶化。并且当构件受火时受火截面温度随周围环境温度变化迅速升高，但由于混凝土是一种热惰性的材料，其内部温度增长则会相对缓慢一些，其结果就是在截面上形成不均匀温度场，并且温度梯度的变化也不均匀，进而使截面应力重分布。以上这些变化都会使结构的安全性大打折扣，当情况严重时甚至会导致结构失效进而造成各种安全事故。

钢—混凝土组合结构具有很多形式，在本文中主要是选择了钢管混凝土柱作为代表进行了火灾下截面温度场的分析。现在以含钢率均为0.1的两种钢管混凝土按照ISO 834升温曲线施加温度并分析其截面温度场分布，借以对比两者的性能差异。两试件尺寸分别为300×17与300×5+200×3。在使用ANSYS软件分析时，根据我国《建筑构件耐火试验方法》的规定,将火焰的温度变化过程按照ISO 834标准升温曲线进行设计,其表达式为:

Tg-T0=345lg(8t+1)。

其中,Tg为火场温度；T0为环境初始温度;t为升温时间，min。图3是两种钢管混凝土在标准升温曲线下经过2 h后的截面温度场分布，并给出了两种钢管混凝土柱处于相同位置的节点上的升温曲线(基本位于内层钢管处)(见图4)。

由图3中两种截面温度场分布图可以看出，最外层钢管由于直接与火焰接触所以温度上几乎没有差别。但可以明显的看出温度变化上双钢管混凝土升温较为缓和且比单层钢管混凝土温度低。由钢管截面温度场分布可以看出，双钢管混凝土最低温度出现在核心混凝土的中心，约为264 ℃，相对而言单层钢管混凝土最低温度虽然同样处于核心混凝土的中心却达到了306 ℃。从图中也看出截面温度场每个温度阶梯上双钢管混凝土相对于单层钢管混凝土都要低一些。由升温曲线可以了解到单层钢管混凝土最终温度约为680 ℃而双层钢管混凝土约为580 ℃。相差较为明显且由于内层钢管的出现，不仅影响混凝土内部的温度分布，也对混凝土起到了约束作用，不仅增加了钢管混凝土柱的火灾作用下所能承受荷载的能力，同时也使得其力学性能更加优秀。

但是仅仅了解并不能够解决钢管混凝土耐火性的问题，双钢管混凝土柱相对于单层或钢筋混凝土的高成本也是不可忽视的问题。因此出现了各种关于构建耐火保护的方法，以下是比较常见的方法：

1)隔热法。这种方法顾名思义就是使用耐火性能好的材料如GF防火板等其他轻质的防火板材将构件在发生火灾时容易暴露在火焰下直接受热的部分进行包裹或者维护。这种方法的最大优点就是取材方便而且对施工技术要求不高，容易施工，价格较低，但由于增加了外部附加材料会比较笨重。

2)阻热法。此种方法主要是通过在构建外表面加载附加构件，如在结构的顶部设计并且设置进行喷淋的供水网络，或者是直接使用热惰性的材料如使用现浇的混凝土、耐火性能稳定的防火建筑材料将容易在火灾作用下受热并产生损伤的承重构件或重要部分直接完全封闭，从而达到降低火灾产生的热量向构件传输的速率，甚至将火灾对结构构件的热传递直接隔断，进而使构件温度的提升速度减慢或者保持在一个可以接受的范围，构件的温度在要求规定的时间内不超过临界温度，自然不会发生破坏。位于美国的纽约宾馆就采用的这种方法，效果良好。

3)导热法。也就是传统中的疏导法。这种方法比较生僻而且可选的方式单一，现今就只有充水保护这一种方法。且主要用于承重柱的防火，这种方法需要在柱子的外部加载附加组件用于注水，在火灾发生时附加在构件上的组件会把吸收的热量首先传给水，此种方法主要是靠水的蒸发带走本应传递给柱子的热量，使得柱子的受火表面温度始终保持在一个较低的水平。这种方法既可以将单独的一根柱子设置上附加设备也可以由多根柱子共同组合形成循环系统。但是这种方法也存在很多弊端，首先无论是构件循环还是注水所花费的时间与技术都需要进行合理的规划和设计，前期的投入会增大，在实际生产中不仅会很难实施，还必须定期对柱子补水，对循环系统进行维护，颇有些得不偿失。

通过对于前面几个图例的分析可以清楚的表明双钢管混凝土柱在耐火方面比单层钢管混凝土柱优良，当然也比钢筋混凝土柱的抗火性能要高，但其复杂的施工条件与过高的成本注定了只有在大型建筑或超高层建筑中才会得以使用，高成本提供的必然是高安全，钢—混凝土组合结构在随着防火技术的进步，防火涂料等的不断更新而走进新的时代。随着当今科技的进步，钢—混凝土组合结构将会越来越多的出现并快速发展，最终成为建筑结构中不可或缺的重要部分。

[1] Lie T T. Fire resistance of circular steel columns filled with bar reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(5):1489-1509.

[2] 韩林海.钢管混凝土结构——理论与实践[M].北京:科学出版社,2004.

[3] ISO 834，Fire Resistance Tests Elements of Building Construction[S].

[4] 苏荣华，梁 冰.工程结构分析ANSYS应用[M].沈阳：东北大学出版社，2012.

[5] 韩林海.钢管混凝土结构——理论与实践[M].北京:科学出版社,2007.

[6] DBJ 13—51—2003，钢管混凝土结构技术规程[S].

[7] Han L.H., Tao Z.，Huang H., et al.Concrete-filled double skin steel tubular beam-columns[J].Thim-Walled Structures,2004,42(9):1329-1355.

On fire resistance of steel-concrete composite structure

Chen Wanhao1Qi Guoqiang2Li Teng1

(1.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.QingdaoTaihaoEngineeringMeasurementCo.,Ltd,Qingdao266590,China)

The paper briefly introduces the forms, advantages and fire resistance of the steel-concrete composite structure, adopts ANSYS software to analyze the section temperature field distribution of steel pipe concrete, reflects its advantages, and sums up common fire resistance protection methods, so as to provide some reference.

steel-concrete, steel pipe, temperature field, fire resistance

2014-11-20

陈万昊(1988- )，男，在读硕士； 齐国强(1989- )，男； 李 腾(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)04-0025-02

TU375

A