火灾作用下不同截面形式混凝土柱受火性能分析

刘子建，赵俣

（1.扬州市消防救援支队，江苏 扬州 252001；2.江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013）

1 引言

随着国家经济的快速发展，现代建筑逐渐向高层化、规模化、密集化等方向发展，建筑火灾发生的因素、发生的次数和造成的损失呈现逐年增长的趋势。建筑火灾不仅损毁、破坏生产生活设备，还造成建筑物梁、板、柱等主要承重结构过早地发生损伤、破坏甚至整体倒塌，严重威胁人民财产安全。

消防指战员在进入正在燃烧或燃烧后的建筑物内开展火情侦察、灭火救援、火灾调查等作战任务时，由于柱、梁等承重构件在长时间高温作用下抗压、抗拉、抗剪性能急剧降低，建筑物很容易由于发生脆性破坏而导致突然倒塌。这种倒塌一般发生得突然、短暂，倒塌征兆又不易掌握和判断，人员不易及时撤离，往往会造成消防指战员的重大伤亡。2003年1月3日，底部一层为现浇钢筋混凝土框架结构，上部七层为砌体结构的湖南衡阳衡州大厦发生大火，造成建筑局部倒塌，20名消防官兵牺牲；2004年湖南常德桥南市场火灾，两栋三层现浇框架结构完全倒塌，造成1人死亡，多名消防官兵受伤。2015年1月2日哈尔滨北方南勋陶瓷大市场厂库火灾坍塌事故，造成5名消防员牺牲14人受伤。历次火灾证明提高建筑结构的防火性能刻不容缓，对钢筋混凝土结构火灾作用下的温度场研究，对消防领域内的灭火、防火工作具有极其重要的理论研究与实践的意义。

国内外许多学者对结构火灾数值模拟进行了大量的研究。廖艳芬研究发现，钢筋混凝土柱在不同的升温曲线下的温度场有着较大的不同，而温度梯度则主要集中在钢筋混凝土柱的10mm范围内；马哲汉研究发现，高温下GFP混凝土柱在高温下，不同的温度梯度之间由光滑温度区分线相隔，而四面受火的温度梯度之间的温度区分线并不光滑，存在并非光滑的温度紊流层;随着时间的持续增加，GFRP筋混凝土柱温度的上升速度会略微变缓。

本文基于Abaqus有限元软件，建立混凝土柱温度场计算模型，探讨柱截面形状和尺寸对混凝土柱结构温度场的影响。

2 温度场计算模型的建立

2.1 热传导方程

在火灾作用下，钢筋和混凝土的热工参数常常是温度函数，因此火灾作用下钢筋混凝土梁的热传导是一个非线性的瞬态问题，其热传导微分方程遵循傅里叶定律，见式（1）。

2.2 模型参数

①材料热工性能：混凝土热工性能：高温下混凝土热传导系数表达式见文献，高温下混凝土比热表达式见欧洲规范，混凝土密度 ρc=2500kg/m。单元类型与界面参数选取为：混凝土采用实体热分析单元（DC3D8），构件表面热辐射系数ε=0.5，综合换热系数h=25W/(㎡.K)，初始温度为20℃。加热方式为所有钢筋混凝土构件均采用四面受火和两面受火两种形式，采用国际标准温升曲线ISO-834模拟火灾，其数学表达式如式（2）。

2.3 钢筋混凝土柱受火模型

本次模拟B1-B6六个工况，见表1所示。B1-B2柱：方柱截面尺寸为300mm×300mm，圆柱截面直径为300mm；B3-B4柱：方柱截面尺寸为450mm×450mm，圆柱截面直径为450mm；B5-B6柱：方柱截面尺寸为600mm×600mm，圆柱截面直径为600mm。柱高度均为2000mm。

混凝土柱模型工况

3 计算结果分析

3.1 混凝土柱四面受火与两面受火时特征分析

由图1可知，当混凝土柱截面为正方形时，无论是四面受火或者两面受火情况，随着截面尺寸的增大，其抗火性能均显著增强。截面尺寸增加50%，相同条件下混凝土截面中心温度降低约50%。四面（两面）受火情形下，当截面边长由300mm增至450mm，相应的混凝土截面中心温度降低约54.5%（56.2%），当截面边长由450mm增至600mm，相应的混凝土截面中心温度降低约51.2%（44.6%），可见，提高混凝土柱截面尺寸可显著提高其抗火性能。

图1 正方形截面柱受火特征分析

由图2可知，当混凝土柱截面为圆形时，四面受火或者两面受火情况下均表现出相同的规律，即随着截面尺寸的增大，混凝土截面中心温度显著降低。该规律与图1中混凝土截面为正方形的结论类似。当圆形截面直径增加50%，相同条件下的混凝土截面中心温度降低约50%，由此可知，提高混凝土柱截面尺寸可显著提高其抗火性能。

图2 圆形截面柱受火特征分析

3.2 截面形式对混凝土柱受火特征的影响

由图3可知，相同截面尺寸下，矩形截面的温度线均在圆形截面的温度线之下，即相同尺寸的情况下矩形截面更有利于防火，能降低温度传递的速度。图4为受火3小时后不同截面尺寸柱温度对比，当截面尺寸为450mm时，矩形截面与圆形截面柱的差异最大。

图3 不同截面尺寸柱温度对比

图4 受火3小时后不同截面尺寸柱温度对比

4 结论

基于本文钢筋混凝土柱四面受火及两面受火的模型得到的结论主要有以下四个方面。

①提高截面尺寸可以显著提高混凝土柱的抗火性能，其他条件相同的情况下，边长（或直径）为600mm的混凝土柱比边长（或直径）为300mm的混凝土柱抗火性能提高一倍。

②不同截面形式的混凝土柱呈现的抗火性能存在差异，其中相同尺寸情况下，方形截面柱比圆形截面柱具有更好的抗火性能，其随时间的增长，温度的增加更加缓慢。

③混凝土柱四面受火的条件下温度变化显著快于两面受火的情况，但两种受火形式下，方形截面柱与圆形截面柱之间的差异规律类似。

④从温度变化幅度及经济实用角度出发，在防火关键部位建议采用方形柱。