钢筋混凝土柱的抗火性能研究进展

钢筋混凝土柱的抗火性能研究进展

发表时间：2018-12-18T15:02:36.317Z 来源：《基层建设》2018年第32期作者：徐翔宇1 杨志年2 [导读] 摘要：钢筋混凝土是目前实际工程中应用最广泛的建筑材料，发生火灾时钢筋混凝土柱起着重要作用，在钢筋混凝土结构中,柱子作为竖向受力构件,一旦发生破坏,建筑物会发生连续性破坏。

1.华北理工大学以升创新教育基地河北唐山 063210；

2.华北理工大学建筑工程学院河北唐山 063210 摘要：钢筋混凝土是目前实际工程中应用最广泛的建筑材料，发生火灾时钢筋混凝土柱起着重要作用，在钢筋混凝土结构中,柱子作为竖向受力构件,一旦发生破坏,建筑物会发生连续性破坏。因此对钢筋混凝土柱结构抗火性能研究是十分必要的。本文从钢筋混凝土柱的抗火性能进行综述，并对其进一步研究做了展望。

关键词：钢筋混凝土；柱；抗火性能

引言

目前, 多数国家规范中采用“耐火等级”的设计概念进行防火设计。我国现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》基本上是用指令性形式给出的，规范对建筑物的耐火等级和使用性质、内部消防设施的要求逐条做出规定，而对其火灾时的结构行为等则不予关注。

钢筋混凝土柱是最重要的承受竖向荷载构件，火灾下的高温对柱的影响是钢筋混凝土柱设计需重点考虑的因素之一，柱火灾下的力学性能对整个结构的火灾安全影响巨大，通过对钢筋混凝土柱火灾下的力学性能进行研究，可以对钢筋混凝土柱的抗火设计起到积极的指导作用。

1火灾下普通钢筋混凝土柱的试验研究现状

1.1 国外研究现状

国外开展对钢筋混凝土结构及构件的抗火性能研究比较早， 1980年始，通过将不同物质抗火特性进行整体研究过后，全世界特别是发达国家很多研究人员便开展有关混凝土柱高温特性试验和理论研究。1986年，Hass教授使用德国Brunswick科技大学火灾实验炉进行了共计39根钢筋混凝土柱抗火性能试验，研究了柱的耐火极限。1988年，Lie教授使用加拿大国家研究中心火灾实验炉开展共计21根钢筋混凝土柱高温试验，分析了柱的耐火性能。

1996年，Dotreppe教授于比利时Gent大学开展了共计16根钢筋混凝土柱抗火性能试验，同期Franssen教授于比利时开展了5根钢筋混凝土柱的抗火性能试验，共同研究了柱的耐火极限。以上试验结果对钢筋混凝土柱高温性能理论研究作了铺垫。1982年，Forsén教授于瑞典研发了可以对钢筋混凝土平面框架和构件抗火性能进行有限元计算的软件CONFIRE。这个软件应用于SUPER-TEMPCALC对温度场的分析，能够研究给定荷载下柱耐火极限、挠度和不同截面处应力、应变差异性。1991年，Lie使用数值模拟研究钢筋混凝土柱耐火极限和极限承载力关系。分析结论同试验效果刚好对应。Lie使用差分法计算某段高温作用之后柱截面温度场，并由平截面假定，变化柱中间截面轴向应变和曲率，从而得出混凝土、钢筋应力应变，之后由混凝土和钢筋高温本构关系，得出截面轴力、弯矩，进而由柱截面曲率三角形分布规律，得到某段火灾过程后柱极限承载力实际值。比利时Liège大学2000年研发出对钢、混凝土和钢-混凝土组合结构进行抗火性能分析程序SAFIR，所有难以实现的单元和材料模型在SAFIR中均能够模拟出来。因此SAFIR具备通用性，能够研究常温和高温作用多维结构，并且结果真实性与其他试验结果符合。直到现在某些国家科研工作仍旧通过SAFIR计算钢筋混凝土柱抗火性能。

1.2国内研究现状

近年来，国内很多研究部门对钢筋混凝土柱高温下的力学性能进行了一系列研究，取得许多有意义的成果。苏南使用ASTME119标准火焰对混凝土柱进行抗火测试[1]。结果表明在骨料种类、端点约束、混凝土强度、配筋率、相对湿度和截面尺寸等不同因素的影响下，轴心荷载柱的抗火时数至少3小时。而且即使只增加截面的一边尺寸或以碳酸岩骨料代替硅质骨料的混凝土，均能大幅提高轴心荷载混凝土柱的抗火性能。时旭东对混凝土柱不同温度试验做了分析。高温作用下构件内部出现不均匀温度场，引起截面上强度不均匀分布，故截面上材料强度中心不会与几何中心重合。按几何中心加载的轴压构件实际上处于偏压状态，常温下的轴压柱实际已处于偏压状态。哈尔滨工业大学查晓雄教授对钢筋混凝土柱进行了数值模拟，研究标准升温曲线下钢筋混凝土柱高温作用过程中温度应力同时间关系，并对全过程进行动态分析[2]。另外，国内科研人员对异形柱进行了很多试验和理论探索，主要对异形柱抗火性能和耐火极限作了全面分析和研究。包括轴压比、受火方式等对火灾时不同截面形状钢筋混凝土柱影响，研究结论显示钢筋混凝土方形柱耐火性能比异形柱优越，轴压比相对于其他因素对异形柱耐火极限影响更严重。

2评价与结论

钢筋混凝土柱是最重要的承受竖向荷载构件，不仅在多层建筑、高层建筑，甚至在超高层建筑中被普遍应用；同时其既适用于钢筋混凝土结构也适用于钢结构和钢-混凝土组合结构，是应用最为广泛的构件之一。钢筋混凝土柱作为建筑结构的竖向结构体系，在保证建筑结构的承载力和结构的整体刚度方面具有重要作用[3]。钢筋混凝土柱的设计要考虑很多环境因素以及灾害的影响，如腐蚀、恶劣的温度条件以及火灾等，火灾下的高温对柱的影响是钢筋混凝土柱设计需重点考虑的因素之一，柱高温下的力学性能对整个结构的火灾安全影响巨大。

参考文献

[1]苏南. 钢筋混凝土柱的抗火性能[J]. 土木工程学报, 1992(6):25-36.[2]蒋剑锋.平面预应力索拱结构的性能分析和优化设计 [D]:[硕士学位论文].南京:东南大学,2003.

[2]肖建庄, 王平, 朱伯龙. 我国钢筋混凝土材料抗火性能研究回顾与分析[J]. 建筑材料学报, 2003, 6(2):182-189.

[3]苏娟. 钢筋混凝土柱的抗火性能研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2006.

作者简介

徐翔宇（1997-），男，本科生。

杨志年（1983-），男，工学博士，副教授，主要从事建筑结构抗火研究。

基金项目

河北省高等学校青年拔尖人才计划项目（BJ2018008）；大学生创新计划项目（X2018375）。