约束梁柱构件抗火性能研究进展

约束梁柱构件抗火性能研究进展

钱 钦1,马 超1,李俊华1,2*,陈建华1

【摘 要】摘要：约束构件抗火性能和抗火设计是近年国内外相关学者关注的热点之一. 笔者简要介绍了约束构件(包括约束梁、约束柱)抗火性能所取得的成果,总结了约束构件在火灾下的工作行为、抗火性能研究以及抗火设计方法的进展,指出了约束构件抗火研究目前存在的主要问题,并对下一步工作进行了展望. 【期刊名称】宁波大学学报（理工版） 【年(卷),期】2013(000)004 【总页数】6

【关键词】约束构件;抗火性能;抗火设计

火灾在各类灾害发生频率中高居榜首,其中建筑火灾约占其 80%,我国每年因火灾造成建筑结构损毁或倒塌的事故多达数十例,如 2003年湖南衡阳商住楼火灾,造成20名消防官兵牺牲;2010 年,上海静安区一住宅楼火灾,造成49人遇难. 火灾对我国的经济建设和人民生命财产安全构成了严重威胁,因此研究建筑结构的抗火性能,进而提出合理的抗火设计方法非常重要.

以往对构件抗火性能的研究通常不考虑约束,而实际构件在火灾中受到约束作用,这就导致以往研究结果与实际情况有出入. 由于实际结构是连续性的,框架结构中的各构件存在相互作用,这种相互作用在火灾情况下更为复杂. 火灾引起构件的温度升高,使得构件因温度变化产生热膨胀,当热膨胀受到约束时,构件内将产生温度应力,这对构件的抗火性能产生影响. 对此,国内外研究者对在火灾下的约束构件产生了浓厚的研究兴趣,特别是近年来随着新型材料的应用,约束构件抗火性能研究取得了前所未有的进展.

1 约束梁抗火研究的主要进展

1.1 约束钢筋混凝土梁的抗火研究

Kodur和Dwaikat[1-3]对2根轴向约束混凝土梁和4根简支混凝土梁进行了明火试验,并通过建立有限元模型与试验数据进行比较,发现约束混凝土梁的抗火性能好于无约束情况,并与轴向约束刚度相关.

近几年,华南理工大学开展了火灾下的约束钢筋混凝土梁的抗火性能研究. Wu等[4]通过试验,主要考察了轴向约束、转动约束等因素对约束钢筋混凝土梁火灾下力学性能及工作行为的影响,结果发现:梁端轴向约束刚度对由约束产生的附加荷载大小和梁的变形大小影响较大;梁端转动约束刚度对产生附加荷载的影响较小,但对梁变形有影响. 在此基础上,乔长江[5]对同时具有轴向和转动约束的混凝土梁进行了高温内力分析,建立了考虑升降温全过程的混凝土约束梁的轴力和梁端弯矩的实用计算方法.

新型混凝土与普通混凝土相比具有许多无可比拟的优点,在实际工程中应用日益广泛,但目前对新型混凝土抗火研究主要针对独立构件开展,约束构件抗火研究报道甚少,仅文献[6]进行了约束轻钢筋混凝土构件火灾下的试验研究,对其悬链线效应进行了分析,利用所设计的模型,分析了该构件火灾下的破坏行为,为其抗火设计起到了关键性指导. 1.2 约束钢梁的抗火研究

以往对钢梁抗火性能研究仅仅局限于独立构件形式出现,为了考察轴向约束和转动约束对钢梁力学性能的影响,文献[7]利用有限元方法较早对火灾下的约束钢梁进行了研究分析. Li等[8]和郭士强[9]通过试验发现:约束钢梁的抗火性能好于一般简支梁;轴向刚度对约束钢梁的抗火性能具有重要影响;在升温全过程中,约束

钢梁的附加轴向力由最初的压力转变为最终的拉力,并受到轴向约束刚度的影响. Yin等[10-11]对约束钢梁展开了一系列的试验研究和理论分析,将有限元软件ABAQUS计算所得结果与BS5950和EC3等规范提供的钢梁临界温度的计算结果进行了比较,结果发现:这两规范计算所得结果要低于有限元计算结果,但该结论并不适合于非均匀温度场分布情况;Yin等[11]在试验的基础上,通过有限元软件ABAQUS做了进一步分析,发现钢梁的扰度对约束钢梁的抗火性能具有显著影响,但是要指导约束钢梁的抗火设计还需做更深入的研究.

Dwaikat[12]在试验研究基础上,对影响约束钢梁抗火性能的各类参数进行了分析研究,得到了生成塑性 P-M关系曲线的简化方法以及计算火灾下约束钢梁附加轴力大小和变形大小的简化方法.随后,Dwaikat等[13]给出了用于计算约束钢梁在高温下温度应力和应变的方法.

约束钢梁在火灾下产生的悬链线效应对钢梁的抗火性能具有重要影响,能够提高梁的抗火性能[14],而悬链线效应究竟能在多大程度上提高梁的耐火极限目前尚无法定量估计,为此继续开展相关定量研究是必要的. 对悬链线效应的研究,国内外学者开展了相关工作. 文献[15]在试验基础上发现梁端轴向约束刚度大,则其悬链线效应将更为明显. Yin等[16-17]分别对均匀温度场和非均匀温度场下约束钢梁的悬链线效应进行了研究,分别得到了计算悬链线效应的简化方法,并通过有限元软件得到了验证.

以往对约束构件的抗火研究,梁仅考虑了杆端约束,并未考虑到相邻梁、板在火灾下的工作行为之间存在一定的空间协调作用,至今仅文献[18]在约束梁的抗火研究中考虑到了楼板的协同作用.文献[18]在3层钢框架结构边跨梁足尺火灾试验的基础上,发现框架结构中与混凝土楼板形成整体的边跨梁具有较强的抗火性能.