劉 超， 孫 彤， 王靜峰，3， 劉 用，3

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；3.先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率不斷提高，建筑火災(zāi)也越發(fā)頻繁，造成的損失極為嚴(yán)重，其中多高層建筑又是目前最普遍的建筑類型，成為防火設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究建筑類型之一。

近年來(lái)，出現(xiàn)一種在H型鋼兩翼緣間填充混凝土而成的新型部分包裹混凝土組合構(gòu)件，簡(jiǎn)稱PEC構(gòu)件，其典型截面形式如圖1所示。PEC構(gòu)件翼緣間的混凝土可以承擔(dān)一大部分荷載，并增強(qiáng)了構(gòu)件的局部穩(wěn)定，與傳統(tǒng)的鋼框架相比，此類構(gòu)件的截面尺寸顯著減小，增加了房間的有效使用面積，因此具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能，應(yīng)用前景良好。

圖1 典型PEC構(gòu)件截面圖

最典型的PEC構(gòu)件是PEC柱，PEC 柱的延性、承載能力等力學(xué)性能優(yōu)于普通鋼柱，耐火性能優(yōu)于無(wú)防火保護(hù)的鋼柱，同時(shí)，PEC柱施工簡(jiǎn)便，節(jié)省模板，經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，可以直接應(yīng)用于新建多高層結(jié)構(gòu)和已有鋼柱的加固與改造，應(yīng)用前景良好。但在火災(zāi)高溫的情況下，PEC柱由于H型鋼翼緣外露，鋼材迅速升溫而強(qiáng)度顯著降低，導(dǎo)致混凝土的壓碎和柱剛度和強(qiáng)度的快速下降，構(gòu)件承載力下降，因此PEC抗火性能及抗火設(shè)計(jì)方法受到各界關(guān)注。

1 PEC柱抗火研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于PEC柱的抗火研究進(jìn)展如下：

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

Wainmannl等[23]進(jìn)行了PEC柱抗火極限試驗(yàn)，為歐洲規(guī)范中的PEC柱抗火設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

Korzen等[24]研究了約束PEC柱耐火極限，考慮了軸向約束剛度、荷載比和長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)，得出結(jié)論：軸向約束剛度增大，軸向約束力增加。Correia和Rodrigues等[25]也對(duì)約束PEC柱的耐火性能進(jìn)行了研究，在Korzen的基礎(chǔ)之上，他還研究了轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比這一參數(shù)對(duì)耐火性能的影響，得出如下結(jié)論：低荷載比下，約束剛度增加，柱子耐火極限時(shí)間縮短，高荷載比下，約束剛度增加，耐火極限時(shí)間幾乎沒(méi)有變化；長(zhǎng)細(xì)比增大，耐火極限減小。

另外，一些國(guó)家已將PEC柱的抗火設(shè)計(jì)內(nèi)容編入了相關(guān)的規(guī)范當(dāng)中，例如歐洲規(guī)范Eurocde4.1和德國(guó)DIN4102.4，它們均以圖表形式對(duì)PEC柱不同耐火極限要求下柱最小截面尺寸、最大翼緣寬厚比等參數(shù)作出了具體規(guī)定。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

毛小勇、徐悅軍[21-22]研究了標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下PEC柱耐火性能，得出兩條結(jié)論：沒(méi)有耐火保護(hù)的PEC柱的耐火極限一般無(wú)法達(dá)到現(xiàn)有抗火標(biāo)準(zhǔn)的要求；荷載比、長(zhǎng)細(xì)比和截面周長(zhǎng)是影響PEC柱耐火極限的主要因素。并提出了火災(zāi)下PEC柱變形曲線及耐火極限的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)之上，毛小勇等[19]研究了約束PEC柱的軸力變化，其有限元模型如圖2所示，考慮了火災(zāi)荷載比、軸向、轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比、長(zhǎng)細(xì)比、偏心率等參數(shù)，得出結(jié)論：軸向約束增大了PEC柱的軸力，且軸向剛度比越大，軸力增加越明顯；但隨著荷載比的增大，軸力變化幅度呈減小趨勢(shì)；柱的長(zhǎng)細(xì)比，轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度對(duì)PEC柱的軸力沒(méi)有明顯的影響，如圖2所示。

圖2 PEC柱模型

滿建政等[20]研究了約束PEC柱的耐火極限，考慮了火災(zāi)荷載比、軸向約束剛度比、長(zhǎng)細(xì)比、偏心率和約束梁跨度等參數(shù)，得出如下結(jié)論：火災(zāi)荷載比增大，耐火極限呈線性降低；軸向約束剛度比、長(zhǎng)細(xì)比和偏心率對(duì)耐火極限沒(méi)有影響；荷載比對(duì)耐火極限影響很大，約束梁跨度等參數(shù)影響較小。行盼娟，毛小勇，于寶林[5]對(duì)軸壓作用下基于子結(jié)構(gòu)模型的約束PEC柱的耐火極限進(jìn)行了研究，與滿建政等[20]不同的是，他們還考察了梁上荷載大小及柱長(zhǎng)度對(duì)耐火極限的影響，得出結(jié)論：軸力比和柱長(zhǎng)度對(duì)耐火極限有較大影響,而軸向約束剛度、約束梁跨度及梁上荷載的影響很小;耐火極限隨荷載比的增大迅速降低。

金曉飛等[8]另外考察了彎矩分布模式對(duì)約束PEC柱(強(qiáng)軸)抗火性能的影響，得出如下結(jié)論：當(dāng)荷載比和偏心率較小時(shí)，彎矩分布模式對(duì)PEC柱的變形特征及軸力變化系數(shù)沒(méi)有影響；隨著荷載比和偏心率的增大，彎矩分布模式對(duì)其影響變大。在其他參數(shù)相同的條件下，均勻彎矩分布模式下柱的耐火極限時(shí)間最短；三角形彎矩分布模式和異號(hào)彎矩分布模式下PEC柱耐火極限時(shí)間差別不大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)PEC柱抗火性能的研究還有以下不足：多數(shù)對(duì)PEC柱的研究為四面均勻受火條件，針對(duì)單面、雙面和三面等非均勻受火條件下的PEC柱抗火性能的研究還較少。同時(shí)，異形截面PEC柱 不僅具有PEC柱的優(yōu)點(diǎn)，而且布置靈活，建筑效果好，應(yīng)用前景廣闊，但目前仍缺乏異形截面PEC柱抗火性能的研究。

2 PEC梁柱組合節(jié)點(diǎn)研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于PEC梁柱組合節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展如下：

Plumier等[26]對(duì)12個(gè)足尺PEC柱梁柱邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如下：連接方式、腹板厚度對(duì)PEC柱節(jié)點(diǎn)性能影響較?。辉囼?yàn)中所有屈服均發(fā)生在梁上，由于混凝土作用，梁翼緣總是向外彎曲。

方有珍等[14]對(duì)新型卷邊鋼板混凝土組合PEC柱鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周循環(huán)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明：新型卷邊鋼板混凝土組合PEC柱滿足 “雙向等剛度”的要求；設(shè)置預(yù)拉對(duì)穿螺栓使節(jié)點(diǎn)域充分實(shí)現(xiàn)混凝土斜壓帶傳力，對(duì)鋼柱腹板的抗剪要求降低，所有試件都表現(xiàn)出不同程度的自復(fù)位功能與良好的耗能能力，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)防目標(biāo)。

王靜峰[15]通過(guò)有限元模擬對(duì)高溫下鋼管混凝土柱鋼梁外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，分析了在不同恒高溫下環(huán)板寬度、鋼管厚度、鋼梁翼緣寬度和厚度、梁高等參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎承載力和初始剛度的影響。在此基礎(chǔ)上建立了高溫下節(jié)點(diǎn)抗彎承載力和初始剛度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并用歐洲規(guī)范EC3的連接分類方法對(duì)高溫下節(jié)點(diǎn)剛性進(jìn)行了分析。

3 鋼-混凝土組合框架的抗火研究進(jìn)展

毛小勇、王宇[6-7]應(yīng)用ABAQUS有限元軟件創(chuàng)建了局部火災(zāi)作用下PEC柱-鋼梁組合平面框架的溫度場(chǎng)以及抗火分析模型，模型得到相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。采用驗(yàn)證后的模型分析了火災(zāi)下PEC柱-鋼梁組合框架的失效模式、PEC柱內(nèi)力的變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)變形特征等，同時(shí)分析了火災(zāi)發(fā)生的位置對(duì)PEC框架結(jié)構(gòu)抗火性能的影響。分析表明：在不同保護(hù)層厚度和載荷條件下，PEC柱-鋼梁組合框架會(huì)出現(xiàn)梁先失效以及柱先失效兩種失效模式，如圖3所示；柱先失效引起結(jié)構(gòu)整體破壞，梁先失效引起結(jié)構(gòu)局部破壞；框架受火的面積越大，受火柱的軸壓比以及受火梁的荷載比越大，框架的耐火極限時(shí)間越短。

圖3 兩種失效模式云變形圖(變形放大5倍)

李曉東等[16]研究了4榀單層單跨鋼框架和6榀雙層雙跨鋼框架的抗火性能，考慮到鋼梁和鋼筋混凝土板間不同構(gòu)造形式和不同受火工況兩個(gè)因素，通過(guò)試驗(yàn)得到了鋼框架的溫度場(chǎng)分布和框架的變形規(guī)律，試驗(yàn)表明：火災(zāi)條件下，單層單跨框架梁全部受火時(shí)，框架破壞形式為鋼柱的壓屈破壞，破壞位置為受保護(hù)的鋼節(jié)點(diǎn)下方鋼柱；雙層雙跨鋼框架受火跨不影響未受火跨。

王廣勇等[17]利用有限元分析了局部火災(zāi)下鋼筋混凝土平面框架結(jié)構(gòu)的耐火性能，并在此模型基礎(chǔ)上研究了火災(zāi)條件下框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制、變形規(guī)律、塑性鉸分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：軸壓比較大時(shí)，框架破壞形式均是受火邊柱底端在彎矩和軸力共同作用下破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體破壞。軸壓比較小時(shí)，各工況下均發(fā)生受火梁的局部破壞。當(dāng)受火跨數(shù)相等時(shí)，上層的耐火極限小于下層的耐火極限。

王衛(wèi)華[18]研究了八榀單層單跨組合框架，并進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，觀察了不同類型的梁和不同截面的鋼管混凝土柱所組成的框架的抗火性能，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：組合框架的溫度場(chǎng)由于防火保護(hù)層和混凝土的吸熱作用而保持著較低水平，且在火災(zāi)下因?yàn)闃?gòu)件間的組合作用，框架發(fā)生了應(yīng)力重分布，最后組合框架由于柱頂鋼管局部的屈曲而發(fā)生了破壞。

4 結(jié)論與展望

(1) PEC構(gòu)件抗火性能雖優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱，但由于型鋼翼緣裸露，仍不能達(dá)到結(jié)構(gòu)安全的耐火極限要求，今后應(yīng)考慮在其翼緣包覆防火板或涂刷防火涂料，對(duì)其進(jìn)行抗火性能研究。

(2) 多數(shù)對(duì)PEC柱的研究為四面均勻受火條件，針對(duì)單面、雙面和三面等非均勻受火條件下的PEC柱抗火性能的研究還較少，同時(shí)缺乏關(guān)于對(duì)異形截面PEC柱抗火性能方面的研究。

(3) 在PEC梁柱組合節(jié)點(diǎn)以及框架方面的抗火性能研究非常匱乏，框架方面的研究多為鋼筋混凝土框架，應(yīng)多展開在框架以及節(jié)點(diǎn)方面的抗火性能研究。