绿色新型材料组合结构抗火性能研究与应用

2020-12-27赵兰英宗景美商丘工学院土木工程学院河南商丘476000

安徽建筑 2020年9期

赵兰英，宗景美（商丘工学院土木工程学院，河南商丘 476000）

1 引言

随着社会人口增长，经济快速发展以及土地资源的利用，房屋建筑有着越来越高的要求。目前，房屋建筑向着高层、大跨发展，新的结构体系或新型材料的研究就成了当今社会的热点。高层新型结构体系钢管混凝土结构，钢-混凝土组合结构已不能满足超高层建筑的需求，而新型的结构体系研究比较困难，所以提高材料性能成为满足高层建筑需求的主要途径。在普通混凝土中加入钢纤维，对混凝土的脆性有很大改善，在工程应用中取得较好的经济效果。为进一步保护环境及实现材料可持续发展甚至达到更好的经济性能，绿色高性能纤维增强水泥基复合材料应运而生。建筑火灾由于其自身特点，一旦发生就会造成巨大的人员伤亡和经济损失，所以建筑结构抗火性能的研究迫在眉睫。

组合结构具有较高的承重力、整体性好等优点在高层建筑结构中的应用越来越多，因此组合结构的抗火性能及抗火设计理论的研究具有重要的现实意义。本文对组合结构以及绿色高性能纤维增强水泥基复合材料的组合结构的研究现状进行总结，对已有的抗火设计方法进行讨论，并对绿色高性能纤维增强水泥基复合材料组合结构的研究进行展望，期望能为以后的研究提供意见和建议。

2 国内外组合结构及节点抗火性能研究

2.1 混凝土组合结构抗火性能

目前，国内外对于混凝土组合结构的抗火性能方面的具体研究相对较少，王勇、段亚昆等[1]从不同位置、受火时间，配筋率等多方面对连续三跨的混凝土板进行了火灾试验分析，得出配筋率和连续配筋方式可以明显提高构件的抗火性能，但对于不同的计算方法得出的抗火承载力有明显差别。文献[2-3]分别建立了多层和高层框架结构的计算模型，利用数值模拟的方法模拟分析了各种不同工况火灾情况下，框架结构的变形、破坏、内力及耐火极限，得出框架结构火灾作用下发生的局部破坏和整体倒塌的两种破坏形态以及破坏梁的位置对结构耐火极限的影响。文献[4]通过试验研究与数值模拟对比研究分析了钢管混凝土组合框架结构在不同受火时间下的破坏形态，总结了其塑性铰的出现位置，并以单层单跨和两层两跨的组合框架为模型进行破坏验证，总结其力学性能，进一步推进了钢管混凝土组合结构抗火性能的研究。文献[5]建立了两块钢-混凝土组合梁模型进行了足尺火灾试验，分析了火在下构件塑性铰的出现以及组合梁的悬链线效应影响因素，证实影响结构抗火性能的主要因素之一为荷载比以及荷载比与组合梁的悬链线效应的关系。

2.2 新型材料组合结构抗火性能研究

房屋建筑向着高层、大跨方向发展，除了推进结构体系的发展，也给新型材料的应用带来了机遇。新兴材料在结构中的应用，各新型材料下结构体系的力学性能研究也逐渐成熟，国内外学者对新材料下结构体系的抗火性能研究也在逐步进行。

文献[6]进行了8个预应力活性粉末（RPC）混凝土简支梁在标准ISO834升温曲线下的抗火试验研究，总结了一定条件下RPC混凝土简支梁的火灾破坏形态，试验结果表明，影响结构耐火极限的最主要因素是水平荷载大小及混凝土保护层厚度，并且试验验证常温下混凝土结构适筋构件的设计方法不能满足火灾下梁的适筋破坏延性要求。

文献[7-8]制作了三组 GHPFRCC（绿色高性能纤维增强水泥基复合材料）梁柱节点构件通过现场试验手段对构件的耐火极限进行了研究。结果表明对轴压比进行合理控制在一定程度上可以提高其耐火极限，同时受火面越多越均匀，结构构件的抗火性能越好。另外通过数值模拟分析与试验结果对比分析说明了有限元分析进行结构抗火性能研究手段是可行的。

文献[9]按照1:2建立“田”形框架结构的缩尺模型，进行了火灾试验研究，总结了火灾作用下“田”形框架结构的温度场，位移场的分布规律以及结构抗火性能的影响因素，同样利用有限元软件进行同等工况下的“田”形框架结构的火灾模拟分析，结果对比分析具有较好的吻合性，说明有限元分析进行结构抗火性能研究手段的有效性。

2.3 组合结构工程应用

组合结构能够发挥不同材料的力学性能，具有整体性好及施工方便等特点，能够满足大跨、高层等土木工程建筑需求，在我国发展较为迅速，并且获得广泛应用[10]。北京的香格里拉饭店采用框架-剪力墙结构体系，2层以上为型钢混凝土柱、组合梁组成的刚接框架，柱内配置H型钢。上海金茂大厦周边采用8根截面尺寸为1.5m×5.0m矩形钢混凝土柱，柱中配置2根焊接H型钢。深圳地王大厦在58层以下采用型钢混凝土柱。北京的世界金融大厦、深圳赛格大厦等采用了钢管混凝土结构。各大火车站、飞机场都采用了组合结构技术。新型材料组合结构因其有较好的性能，在军队建筑、防护工程等重点工程中应用，但各种新型材料由于其稀缺性，造价高等特点很难在工程中普遍采用。所以研究价格低廉且工程性能较好的新型材料组合结构是当下的重中之重。

3 存在的主要问题

3.1 试验研究

普通钢-混凝土组合结构的抗火性能研究多数停留在有限元分析上，试验尤其是结构体系整体试验较少，节点试验相对而言虽多，但力学形态研究不全面。总体上，试验研究方法不统一，试验结果很难比较及共享。

3.2 抗火性能理论分析

组合结构抗火性能无论在试验研究还是理论分析中，学者都很难考虑材料高温徐变、热应变等特点，忽略了高温下材料的内力重分布，直接采用钢筋混凝土结构的平截面基本假定进行研究，结论的可靠性有待进一步验证。另外各有限元分析软件进行火灾作用下结构变形数值模拟时也忽略了组合结构材料高温下的变形，精确度较差。关于组合结构的抗火性能设计国家没有统一的设计标准，抗火性能难以保证。

3.3 新型材料组合结构

高温下混凝土的力学性能严重退化，为满足结构大跨、高层以及耐高温等的需求，新型材料的研究成为改善结构性能的一大热点。在混凝土中加入纤维材料的纤维增强混凝土、再生混凝土、纤维增强再生混凝土以及绿色高性能纤维增强水泥基复合材料（Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites，GHPFRCC）在组合结构中应用研究正在完善。对新型材料组合结构的抗火性能研究有待进一步深入，并逐渐推广应用。