謝旺軍，楊 洋，劉振華

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。數(shù)據(jù)表明，截至2017年末［1］，國內(nèi)共有34個城市已經(jīng)開通并運營城市軌道交通，總里程達(dá)到5 032.7km，地鐵車站共計3 234座，進(jìn)站量達(dá)到了116.9億人次，其中地鐵線路占到城市軌道交通總量的77.2%。

地鐵線路連接城區(qū)、經(jīng)過城市中心，敷設(shè)方式以地下線為主。地鐵站多位于人流密集、交通繁忙的位置，并且修建在地下。為減少地鐵施工對臨近建筑和地面交通的影響，通常采用蓋挖逆作法進(jìn)行地鐵站施工［2］，立柱需在基坑開挖前先施工且在底板澆筑之前，結(jié)構(gòu)的所有豎向荷載均由立柱及圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受，因此蓋挖逆作法車站通常采用高強度混凝土鋼管柱作為立柱。鋼管混凝土柱具有承載能力高、韌性塑性好、抗火能力強、抗震性好、空間利用率高、經(jīng)濟(jì)效果好等諸多優(yōu)點［3］，因此在地鐵車站中大量采用。地鐵車站是人員密集公共場所，所有設(shè)備和構(gòu)件的抗火性能尤顯重要。文章就鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計進(jìn)行探討。

1 地鐵車站防災(zāi)概述

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)外重大地鐵事故中，火災(zāi)事故約占地鐵事故總數(shù)的57%［4］。依據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157－2013）［5］中規(guī)定“地鐵針對火災(zāi)應(yīng)貫徹‘預(yù)防為主，防消結(jié)合’的方針，地下的車站、區(qū)間、變電站等主體工程及出入口通道、風(fēng)道的耐火等級應(yīng)為一級”，同時，國內(nèi)已經(jīng)有30多個城市上百條地鐵線路兼顧人防設(shè)計要求，地鐵車站作為主要的人防工程，其主體工程中鋼管混凝土柱的抗火防火設(shè)計重要性更加突顯。

2 鋼管混凝土柱耐火優(yōu)勢與受熱分析

2.1 鋼管混凝土柱耐火優(yōu)勢

與普通混凝土和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比，鋼管混凝土構(gòu)件在火災(zāi)中的性能有明顯提高，這主要得益于鋼管和混凝土之間的優(yōu)勢互補和共同作用［6］。（1）高強度混凝土在火場中，由于火場的溫度不斷升高，混凝土中有大量水積聚在孔隙內(nèi)，隨著溫度的升高慢慢變成蒸汽，但不能從高強密實的混凝土中溢出，以致形成很高的蒸汽壓力，最后容易使混凝土在火災(zāi)下發(fā)生開裂最終承載力降低；但是鋼管給混凝土提供了環(huán)向約束，降低了混凝土構(gòu)件失去承載力的可能性。（2）鋼管在火場溫度較高時局部會出現(xiàn)屈曲變形，但是鋼管內(nèi)混凝土截面面積較大，溫度由外向內(nèi)傳遞時間受到拖延，承載力降低程度較小，可以為外側(cè)鋼管提供結(jié)構(gòu)上的支撐。（3）火災(zāi)結(jié)束時，鋼管混凝土柱沒有失去穩(wěn)定性，當(dāng)溫度下降時，鋼管的各項性能逐漸得到很大程度的修復(fù)，鋼管混凝土構(gòu)件在核心混凝土發(fā)生不可逆破壞的情況下，仍能依靠鋼管的約束作用提供相應(yīng)的承載力，降低了火災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失，為今后工程的加固修復(fù)提供了有利的條件。

2.2 鋼管混凝土柱受火分析

鋼管混凝土柱抗火設(shè)計時，需要考慮在不同溫度下鋼管與組成混凝土材料性能的變化，因此對鋼管混凝土柱橫截面內(nèi)溫度場的分布情況進(jìn)行分析尤為重要。通過對大量實驗與模擬鋼管混凝土柱與火場空間熱交換、鋼管混凝土柱內(nèi)界面的熱傳導(dǎo)的研究［7］，得出對流換熱對鋼管混凝土柱的影響較小，而輻射換熱影響明顯，隨著大火的持續(xù)燃燒，鋼管混凝土柱與火場中的溫差逐漸變小，對鋼管構(gòu)件的影響變小。鋼管混凝土柱內(nèi)界面溫度在100℃內(nèi)升溫速度快，未達(dá)到800℃之前升溫速度較快，之后升溫速度趨于平緩，其研究表明與標(biāo)準(zhǔn)燃燒模型ISO－834完全相吻合。由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低、比熱大，溫度升高曲線圖落后于外包鋼管，越靠近柱核心的混凝土，溫度升高的速度越小。離鋼管較遠(yuǎn)的核心混凝土升溫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及鋼管周圍混凝土，混凝土的溫度一般是由外向內(nèi)200mm范圍內(nèi)，溫度變化越大，對應(yīng)的幅度變化越大［8］。

3 影響鋼管混凝土柱抗火性能的因素

影響鋼管混凝土柱抗火性能的因素較多，很多研究人員進(jìn)行了大量的研究［9－15］，得出了較為理想的研究成果，通過結(jié)合地鐵車站的特點，分析影響抗火性能的主要因素，提出抗火設(shè)計的主要方法。

3.1 截面尺寸與形狀

鋼管混凝土柱橫截面積的大小對其耐火性能的影響很大。橫截面的尺寸越小，對應(yīng)核心混凝土橫截面面積越小，對熱能的吸收和傳遞越差，耐火性能越差；反之，截面尺寸越大，吸熱能力越強，耐火時間越長。在相同情況下，截面的形狀不同其抗火性能差別較大。在實驗研究中，圓鋼管混凝土柱可以認(rèn)為是各向同性試件，在四面受火的情況下，鋼管周圍受熱均勻；而方鋼管混凝土柱在四面受火時，在角部形成高溫區(qū)域，溫度明顯高于其它部位，降低了承載能力和耐火時間。故考慮到地鐵車站是利用地下的有限空間而修建，采用圓鋼管混凝土柱更有利于抗火、美觀、安全、節(jié)約空間等。

3.2 約束條件

隨著邊界約束的增強，耐火時間均呈現(xiàn)上升趨勢，反之減弱邊界約束條件，其延性不斷下降，導(dǎo)致抗火性能也逐漸降低；對于在地鐵車站中設(shè)計的組合柱，如果邊界約束條件一致時，較厚鋼管的延性更好。

地鐵車站中的鋼管混凝土柱設(shè)計時，考慮的重點是如何保證鋼管和核心混凝土一起工作、同時受力，節(jié)點設(shè)計要確保力傳遞的有效性，加強節(jié)點設(shè)計能很好地達(dá)到“強節(jié)點、強錨固”的設(shè)計要求。

3.3 長細(xì)比的影響

對于圓鋼管混凝土柱［9］，長細(xì)比≤90時，長細(xì)比越大，抗火極限越小，反之，長細(xì)比越小，抗火極限越大；當(dāng)長細(xì)比＞90時，長細(xì)比對抗火極限的影響逐漸減弱。對于方鋼管混凝土柱，當(dāng)長細(xì)比≤40時，隨著長細(xì)比的增大，耐火極限有逐漸變大的趨勢，但變大的梯度不大；對于長細(xì)比＞40的情況，長細(xì)比越大，抗火極限就越小。

以南京地鐵南京站為例，鋼管混凝土柱900mm，長度約28m，以兩端固結(jié)來計算，長細(xì)比約為62，兩端鉸接時長細(xì)比為124，因此在地鐵站鋼管混凝土柱設(shè)計中的節(jié)點設(shè)計對抗火性能有著重要的影響。

3.4 防火保護(hù)層厚度

火災(zāi)現(xiàn)場的鋼管混凝土柱在上部荷載的作用下，沒有防火保護(hù)設(shè)計，其抗火極限通常不能達(dá)到實際工程的需要。為了實現(xiàn)鋼管混凝土柱的抗火極限達(dá)到工程實際的需求，需要對其進(jìn)行防火保護(hù)層設(shè)計。實驗研究結(jié)果表明，增加鋼管防火保護(hù)層厚度，鋼管混凝土柱的抗火性能表現(xiàn)出明顯的上升趨勢。

對于保護(hù)層厚度設(shè)計，應(yīng)主要考慮抗火極限、構(gòu)件截面尺寸及形狀、長細(xì)比、荷載比的密切關(guān)系。在抗火極限要求一定的情況下，鋼管混凝土柱的防火保護(hù)層厚度，隨構(gòu)件橫截面尺寸的增加和長細(xì)比的減小而整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢［10］。

目前對于鋼管混凝土柱的防火保護(hù)，一般是在鋼管表面刷涂防火涂料保護(hù)層或采用外包防火板、水泥砂漿等方法，其中厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料比水泥砂漿的防火效果更具優(yōu)勢［11］。在保護(hù)層厚度相同的情況下，刷涂水泥砂漿柱的抗火性能不足抗火涂料的1／3，而方鋼管混凝土柱所用的防火涂料或防火砂漿數(shù)量是圓鋼管混凝土柱的1.3倍。

4 結(jié)語

通過考慮地鐵車站采用鋼管混凝土柱的諸多優(yōu)勢，對地鐵車站鋼管混凝土柱的抗火性能進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）通過對鋼管混凝土柱在火場中的升溫過程進(jìn)行分析，升溫曲線與ISO－834標(biāo)準(zhǔn)燃燒模型相吻合。

（2）通過對比分析截面尺寸與形狀、約束條件、長細(xì)比，得出地鐵車站鋼管混凝土柱設(shè)計時采用兩端固定連接的圓鋼管混凝土柱更有利于提高抗火極限性能。

（3）通過分析不同的防火保護(hù)層的特點，建議采用防火涂料作為地鐵站鋼管混凝土柱防火保護(hù)層。