張忠珍

摘 要:本文簡要介紹了鋼管混凝土火災(zāi)中(后)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀,探討了組成鋼管混凝土的鋼管及核心混凝土在火災(zāi)中(后)的相互作用以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究的幾個關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞:鋼管混凝土 抗火力學(xué)性能

一、前言

鋼管混凝土是在勁性鋼管混凝土和螺旋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的在鋼管中填充混凝土的組合結(jié)構(gòu)。在受力過程中,利用鋼管對混凝土的環(huán)向約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),從而使得混凝土的強(qiáng)度得以提高,塑性和韌性性能大為改善。

國內(nèi)外大量的耐火研究和工程實踐表明,鋼管混凝土具有較好的耐火性能,主要表現(xiàn)在:(1)鋼管對核心混凝土起到約束和保護(hù)作用,不僅提高了構(gòu)件的承載力,而且避免了混凝土的高溫爆裂現(xiàn)象;(2)核心混凝土的存在可以延緩構(gòu)件局部屈曲,從而能提高鋼管混凝土的耐火性能;(3)火災(zāi)后,隨著外界溫度的降低,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已屈服截面處鋼管的強(qiáng)度可以得到不同程度的恢復(fù),截面的力學(xué)性能比高溫下有所改善,結(jié)構(gòu)的整體性比火災(zāi)中也有所提高。

二、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

我國還沒有制定針對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定。這在很大程度上制約了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在各類建筑中的推廣與應(yīng)用,而且對已建或在建鋼管混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的耐火等級的確定缺乏必要的科學(xué)依據(jù),由此造成很大程度上的安全隱患。

近年來,我國研究者開始了對圓形和方形截面的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能的研究工作,研究工作主要從兩個方面入手:一是研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的力學(xué)性能,用于確定其耐火極限,為制訂鋼管混凝土的防火設(shè)計規(guī)范做準(zhǔn)備工作;二是研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的力學(xué)性能,用來確定鋼管混凝土火災(zāi)后的殘余承載力,為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的維修與加固提供理論依據(jù)。

三、火災(zāi)作用下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

國內(nèi)外學(xué)者已對鋼管混凝土柱耐火極限進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究表明:由于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土在火災(zāi)時的相互作用,使鋼管混凝土具有比鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更好的耐火性能。首先,由于核心混凝土的存在,使鋼管在受火時的溫度升高較單純鋼結(jié)構(gòu)的升溫大為滯后,在溫度升高的初期,鋼管將吸收的熱量傳導(dǎo)給其內(nèi)部的混凝土,混凝土在吸收了熱量溫度升高后,由于鋼材在200℃左右時,強(qiáng)度略高于常溫狀態(tài),混凝土在溫度300℃以下時,強(qiáng)度基本不發(fā)生變化,并且因混凝土的自蒸過程和二次水化等綜合作用,使混凝土硬化,抗壓強(qiáng)度還有一定提高,同時產(chǎn)生的水蒸汽對鋼管產(chǎn)生了降溫作用,使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火性能和耐火極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在同等火災(zāi)情況下的鋼結(jié)構(gòu);同樣,由于外部鋼管的存在,使處于核心區(qū)域的混凝土在火災(zāi)高溫狀態(tài)下不發(fā)生表面爆裂,使高溫下的混凝土整體性保持完好,即使混凝土因高溫強(qiáng)度完全喪失,也會在外部鋼管的約束作用下仍能承擔(dān)一部分荷載,使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火性能和耐火極限也高于同等火災(zāi)情況下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其次,由于組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間具有相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互補(bǔ)的特點,當(dāng)溫度升高時,兩種材料共同工作,共同承擔(dān)溫度升高后造成的荷載分布的變化,能夠發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)良性能。

四、火災(zāi)作用后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

高溫作用后鋼管混凝土的力學(xué)性能發(fā)生了很大的變化,而且這種變化是與鋼管和混凝土的相互協(xié)同工作分不開的。對于鋼管來說,一般認(rèn)為高溫后其力學(xué)性能基本恢復(fù),屈服極限和彈性模量與常溫相同或降低很少,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可類似于常溫時的情況,可用理想彈塑性或硬化彈塑性的形式表示。而混凝土在溫度較低時,強(qiáng)度下降不大,即使在高溫狀態(tài)下,也由于外部鋼管的約束,仍保持良好的整體性?；馂?zāi)后隨著外界溫度的降低,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已屈服截面處鋼管的強(qiáng)度得到了不同程度的恢復(fù),結(jié)構(gòu)的整體性比火災(zāi)中有所提高。

在火災(zāi)后,鋼管混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度可以根據(jù)外界條件的不同得到不同程度的恢復(fù),結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和整體性與高溫狀態(tài)時比有較大程度改善。而相同條件下鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則不具備這種能力。鋼結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷火災(zāi)后,普遍會因遭受超過界限溫度的高溫而造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn),使結(jié)構(gòu)扭曲并產(chǎn)生較大的變形,即使在溫度降低后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定程度的恢復(fù),但建筑物的整體性己被破壞,無法通過維修繼續(xù)使用;同樣,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在持續(xù)高溫作用下,混凝土表面會產(chǎn)生裂縫,甚至發(fā)生爆裂,嚴(yán)重的會造成鋼筋與混凝土分離,使結(jié)構(gòu)基本喪失承載力,即使在高溫作用時間不長的情況下,有可能保持一定的整體性,但由于混凝土性質(zhì)發(fā)生不可逆的化學(xué)變化,結(jié)構(gòu)基本上不存在修復(fù)并繼續(xù)使用的價值。而鋼管混凝土則由于鋼管和混凝土的協(xié)同互補(bǔ)、共同工作的優(yōu)勢。使經(jīng)歷火災(zāi)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能夠大部分恢復(fù),結(jié)構(gòu)完整性和可修性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等條件下的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這不僅使得經(jīng)歷火災(zāi)的建筑結(jié)構(gòu)的拆除重建率大大降低,具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而且對于結(jié)構(gòu)的維修和加固補(bǔ)強(qiáng)的工作量大為減少,并在降低維修和加固費用的同時減少了自然資源的浪費,也具有十分明顯的社會效益。

五、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗火力學(xué)性能研究的幾個關(guān)鍵問題

對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究已經(jīng)取得了較系統(tǒng)的成果,但仍處于起步階段。由于試驗設(shè)備和方法的限制,對于影響其抗火性能的諸多因素不能完全加以考慮,在研究方法上也有很多有待完善的地方。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究的趨勢是:(1)考慮結(jié)構(gòu)整體空間作用,以整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下承載力極限狀態(tài)取代目前的以單根構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)進(jìn)行更為合理的抗火設(shè)計;(2)考慮實際火災(zāi)燃燒模式,并把結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)(即對結(jié)構(gòu)在荷載和火災(zāi)共同作用下)和火災(zāi)后降溫過程作為連續(xù)的過程加以研究,對不同的火災(zāi)模式、不同的荷載路徑和不同的溫度史及溫度—應(yīng)力史(升溫、降溫和反復(fù)升降溫)加以研究,綜合考慮結(jié)構(gòu)對荷載和溫度共同作用下的反應(yīng),對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形性能進(jìn)行全過程分析,建立更為合理、經(jīng)濟(jì)的抗火設(shè)計方法,以減少結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計費用。

六、結(jié)束語

鋼管混凝土耐火力學(xué)性能的研究由于試驗條件所限,并沒有得到很好的解決,進(jìn)一步研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗火力學(xué)性能是十分必要和迫切的。因此,研究者需要抓緊鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗火的關(guān)鍵問題,進(jìn)一步對其進(jìn)行研究,并在理論研究與工程實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上制訂鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗火規(guī)程。

參考文獻(xiàn):

1.欒波,劉明,尹曉明.鋼管混凝土在火災(zāi)作用下(后)的性能-理論與發(fā)展[J].混凝土.2003(12):12～14.

作者單位:廣西城市建設(shè)學(xué)校