钢-混凝土组合结构抗火性能研究——与建筑火灾作斗争

兰州理工大学土木工程学院教授王文达

　　王文达教授是清华大学博士后，国家一级注册结构工程师，主要从事钢-混凝土组合结构、混合结构及钢结构的静力性能、抗震性能与抗火性能研究。

　　目前，钢-混凝土组合结构在我国高层与超高层建筑中得到了广泛应用，高耸结构的抗火问题一直是业内人士关注的焦点。钢-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上形成的一种新型组合结构形式，具有承载力高、抗震性能好、装配化程度高、耐火性好等优点，已广泛应用于我国高层与超高层建筑中。根据其截面形式不同，组合结构分为型钢混凝土结构(SRC)和钢管混凝土结构(CFST)。

不同构件截面形式

钢-混凝土组合结构抗火性能研究现状

　　王文达教授主要从钢管混凝土结构抗火方面浅谈其研究现状。

　　1)火灾下的性能与耐火极限

　　火灾作用下，钢管混凝土柱的核心混凝土可吸收外围钢管传来的热量，使其外包钢管升温滞后，有效降低钢管承载力的损失，而钢管也可以保护混凝土不发生“爆裂”现象。各国学者采用理论与试验相结合的方法对钢管混凝土构件的耐火极限进行研究，研究结果表明，采用耐火钢材的钢管混凝土柱的耐火极限和抗变形能力均有所提高，且荷载偏心对火灾时构件工作不利。此外，在钢管中填充钢纤维混凝土可有效提高构件耐火极限。总体来说，过去国内外学者在钢管混凝土工作机理和力学性能研究方面已取得一系列重要成果。

　　2)火灾后的加固修复与评估

　　与钢筋混凝土柱不同，由于外部钢管的包裹作用，钢管混凝土柱中的混凝土不会出现“爆裂”和剥落现象。过火后钢管混凝土柱的修复加固一般采用在其外包裹钢管或混凝土，即“增大截面加固法”。

完善钢-混凝土组合结构抗火性能

　　虽然钢-混凝土组合结构有着良好的耐火性能，但也存在一些问题，王文达教授认为有以下几个方面需要完善。

　　1)高温对材料及界面等力学性能的影响

　　火灾下结构的数值模拟被广泛应用，合理确定高温对材料及不同材料之间界面等性能的影响，是准确进行组合结构抗火性能研究的基础，主要包括：①高温对材料特性的影响；②高温作业对钢-混凝土界面性能的影响；③对混凝土“爆裂”的影响。

　　2)荷载作用“全过程”与结构受力“全过程”分析

　　结构荷载作用“全过程”是指在服役阶段会承受：①正常使用阶段的荷载；②火灾作用时的非常规荷载；③火灾荷载去除后结构继续承受的荷载。结构受力“全过程”主要指：①正常使用阶段的结构应力；②火灾作用下结构的受力与变形；③火灾去除后或出现局部破坏后结构的应力与变形。

　　3)组合结构节点耐火性能

　　试验研究表明，框架结构节点破坏极易产生结构薄弱层，导致楼板下塌，进而影响柱的侧向曲屈，造成结构整体倒塌。

　　4)组合结构体系耐火性能

　　火灾作用下，不仅结构材料会发生劣化，而且结构构件的温度变化还会导致结构内力重分布。因此，与构件或节点研究相比，深入研究框架结构的耐火性能和抗火能力对结构抗火设计具有更加重要的意义。

　　5)火灾与其他灾害耦合效应

　　随着我国建筑业的快速发展，城镇超规模复合型建筑日益增多，研究其在典型非常规突发灾害(爆炸、火灾、强烈地震等)单独或同时作用下的抗连续倒塌应用技术和综合防灾减灾能力评价技术具有重要意义。

　　6)既有组合结构抗火能力评估和灾后修复加固技术

　　有必要对既有建筑的防火保护措施、火灾荷载分布、结构承载力现状进行调查，对既有建筑火灾风险进行评估，并研究既有建筑结构火灾下的耐火极限、承载力和倒塌破坏规律。

王文达教授科研团队研究成果展示

　　王文达教授进行组合结构抗火研究的10年时间里，科研团队主要研究方向如下。

　　1)开展考虑火灾全过程的钢管混凝土结构抗火性能研究

　　团队于2009年申请并获批教育部科学技术研究重点项目资助，致力于考虑火灾全过程的钢管混凝土组合结构研究，主要考虑常温加载、恒载升温、降温和火灾后4个受火阶段。

全过程火灾分析路线及计算曲线

　　2)开展新型钢管混凝土构件抗火性能及设计方法研究

　　团队于2014年申报并获批国家自然科学基金项目——全过程及非均匀受火下内配型钢的钢管混凝土构件抗火性能，主要以研究内部配置型钢的钢管混凝土组合构件在考虑升降温全过程火灾及非均匀火灾作用下的工作机理和设计方法为目标，进行各典型受火工况下该类组合构件的试验研究，细致分析和测试构件受火及受力全过程中内部型钢、核心混凝土及外钢管三者之间的受力特性，明晰其工作机理。

内配型钢钢管混凝土构件抗火试验

　　3)开展局部火灾作用下钢管混凝土结构体系抗连续倒塌性能研究
　　团队于2013年申报并获批国家自然科学基金项目——局部火灾下钢管混凝土组合框架连续倒塌机理与设防对策。

局部火灾引起的钢管混凝土框架破坏示意

柱破坏引起的连续倒塌示意