地铁站钢管混凝土柱抗火设计研究

2018-02-16谢旺军刘振华

西部交通科技 2018年12期

谢旺军，杨洋，刘振华

（广西交通职业技术学院，广西南宁 530023）

0 引言

随着城市化进程的加快，城市轨道交通建设进入高速发展阶段。数据表明，截至2017年末［1］，国内共有34个城市已经开通并运营城市轨道交通，总里程达到5 032.7km，地铁车站共计3 234座，进站量达到了116.9亿人次，其中地铁线路占到城市轨道交通总量的77.2%。

地铁线路连接城区、经过城市中心，敷设方式以地下线为主。地铁站多位于人流密集、交通繁忙的位置，并且修建在地下。为减少地铁施工对临近建筑和地面交通的影响，通常采用盖挖逆作法进行地铁站施工［2］，立柱需在基坑开挖前先施工且在底板浇筑之前，结构的所有竖向荷载均由立柱及围护结构承受，因此盖挖逆作法车站通常采用高强度混凝土钢管柱作为立柱。钢管混凝土柱具有承载能力高、韧性塑性好、抗火能力强、抗震性好、空间利用率高、经济效果好等诸多优点［3］，因此在地铁车站中大量采用。地铁车站是人员密集公共场所，所有设备和构件的抗火性能尤显重要。文章就钢管混凝土柱的抗火设计进行探讨。

1 地铁车站防灾概述

统计数据显示，国内外重大地铁事故中，火灾事故约占地铁事故总数的57%［4］。依据《地铁设计规范》（GB50157－2013）［5］中规定“地铁针对火灾应贯彻‘预防为主，防消结合’的方针，地下的车站、区间、变电站等主体工程及出入口通道、风道的耐火等级应为一级”，同时，国内已经有30多个城市上百条地铁线路兼顾人防设计要求，地铁车站作为主要的人防工程，其主体工程中钢管混凝土柱的抗火防火设计重要性更加突显。

2 钢管混凝土柱耐火优势与受热分析

2.1 钢管混凝土柱耐火优势

与普通混凝土和钢结构构件相比，钢管混凝土构件在火灾中的性能有明显提高，这主要得益于钢管和混凝土之间的优势互补和共同作用［6］。（1）高强度混凝土在火场中，由于火场的温度不断升高，混凝土中有大量水积聚在孔隙内，随着温度的升高慢慢变成蒸汽，但不能从高强密实的混凝土中溢出，以致形成很高的蒸汽压力，最后容易使混凝土在火灾下发生开裂最终承载力降低；但是钢管给混凝土提供了环向约束，降低了混凝土构件失去承载力的可能性。（2）钢管在火场温度较高时局部会出现屈曲变形，但是钢管内混凝土截面面积较大，温度由外向内传递时间受到拖延，承载力降低程度较小，可以为外侧钢管提供结构上的支撑。（3）火灾结束时，钢管混凝土柱没有失去稳定性，当温度下降时，钢管的各项性能逐渐得到很大程度的修复，钢管混凝土构件在核心混凝土发生不可逆破坏的情况下，仍能依靠钢管的约束作用提供相应的承载力，降低了火灾的经济损失，为今后工程的加固修复提供了有利的条件。

2.2 钢管混凝土柱受火分析

钢管混凝土柱抗火设计时，需要考虑在不同温度下钢管与组成混凝土材料性能的变化，因此对钢管混凝土柱横截面内温度场的分布情况进行分析尤为重要。通过对大量实验与模拟钢管混凝土柱与火场空间热交换、钢管混凝土柱内界面的热传导的研究［7］，得出对流换热对钢管混凝土柱的影响较小，而辐射换热影响明显，随着大火的持续燃烧，钢管混凝土柱与火场中的温差逐渐变小，对钢管构件的影响变小。钢管混凝土柱内界面温度在100℃内升温速度快，未达到800℃之前升温速度较快，之后升温速度趋于平缓，其研究表明与标准燃烧模型ISO－834完全相吻合。由于混凝土导热系数低、比热大，温度升高曲线图落后于外包钢管，越靠近柱核心的混凝土，温度升高的速度越小。离钢管较远的核心混凝土升温速度远远不及钢管周围混凝土，混凝土的温度一般是由外向内200mm范围内，温度变化越大，对应的幅度变化越大［8］。

3 影响钢管混凝土柱抗火性能的因素

影响钢管混凝土柱抗火性能的因素较多，很多研究人员进行了大量的研究［9－15］，得出了较为理想的研究成果，通过结合地铁车站的特点，分析影响抗火性能的主要因素，提出抗火设计的主要方法。

3.1 截面尺寸与形状

钢管混凝土柱横截面积的大小对其耐火性能的影响很大。横截面的尺寸越小，对应核心混凝土横截面面积越小，对热能的吸收和传递越差，耐火性能越差；反之，截面尺寸越大，吸热能力越强，耐火时间越长。在相同情况下，截面的形状不同其抗火性能差别较大。在实验研究中，圆钢管混凝土柱可以认为是各向同性试件，在四面受火的情况下，钢管周围受热均匀；而方钢管混凝土柱在四面受火时，在角部形成高温区域，温度明显高于其它部位，降低了承载能力和耐火时间。故考虑到地铁车站是利用地下的有限空间而修建，采用圆钢管混凝土柱更有利于抗火、美观、安全、节约空间等。

3.2 约束条件

随着边界约束的增强，耐火时间均呈现上升趋势，反之减弱边界约束条件，其延性不断下降，导致抗火性能也逐渐降低；对于在地铁车站中设计的组合柱，如果边界约束条件一致时，较厚钢管的延性更好。

地铁车站中的钢管混凝土柱设计时，考虑的重点是如何保证钢管和核心混凝土一起工作、同时受力，节点设计要确保力传递的有效性，加强节点设计能很好地达到“强节点、强锚固”的设计要求。

3.3 长细比的影响

对于圆钢管混凝土柱［9］，长细比≤90时，长细比越大，抗火极限越小，反之，长细比越小，抗火极限越大；当长细比＞90时，长细比对抗火极限的影响逐渐减弱。对于方钢管混凝土柱，当长细比≤40时，随着长细比的增大，耐火极限有逐渐变大的趋势，但变大的梯度不大；对于长细比＞40的情况，长细比越大，抗火极限就越小。

以南京地铁南京站为例，钢管混凝土柱900mm，长度约28m，以两端固结来计算，长细比约为62，两端铰接时长细比为124，因此在地铁站钢管混凝土柱设计中的节点设计对抗火性能有着重要的影响。

3.4 防火保护层厚度

火灾现场的钢管混凝土柱在上部荷载的作用下，没有防火保护设计，其抗火极限通常不能达到实际工程的需要。为了实现钢管混凝土柱的抗火极限达到工程实际的需求，需要对其进行防火保护层设计。实验研究结果表明，增加钢管防火保护层厚度，钢管混凝土柱的抗火性能表现出明显的上升趋势。

对于保护层厚度设计，应主要考虑抗火极限、构件截面尺寸及形状、长细比、荷载比的密切关系。在抗火极限要求一定的情况下，钢管混凝土柱的防火保护层厚度，随构件横截面尺寸的增加和长细比的减小而整体呈现逐渐降低的趋势［10］。

目前对于钢管混凝土柱的防火保护，一般是在钢管表面刷涂防火涂料保护层或采用外包防火板、水泥砂浆等方法，其中厚涂型钢结构防火涂料比水泥砂浆的防火效果更具优势［11］。在保护层厚度相同的情况下，刷涂水泥砂浆柱的抗火性能不足抗火涂料的1／3，而方钢管混凝土柱所用的防火涂料或防火砂浆数量是圆钢管混凝土柱的1.3倍。