组合结构耐火性能研究的部分新进展_宋天诣

第25卷增刊II V ol.25 Sup.II 工 程 力 学 2008年 12 月 Dec. 2008

ENGINEERING MECHANICS

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收稿日期：2008-04-10

基金项目：国家自然科学基金项目(50738005)；国家科技支撑计划项目(2006BAJ06B06-2)

作者简介：宋天诣(1981―)，男，山西人，博士生，主要从事结构防火方面的研究(E-mail: sty06@)；

*韩林海(1967―)，男，内蒙古人，教授，博士，所长，主要从事钢与组合结构及混合结构等方面的研究(E-mail: lhhan@).

文章编号：1000-4750(2008)Sup.II-0230-24

组合结构耐火性能研究的部分新进展

宋天诣，*韩林海

(清华大学土木工程系，北京 100084)

摘 要：组合结构的耐火性能和抗火设计原理研究是工程界所关注的热点问题。该文简要介绍了国内外研究者们在组合板、组合梁、组合柱等结构构件以及结构节点、框架和结构体系耐火性能方面取得的部分研究结果，归纳了组合结构在火灾下(后)的工作机理和抗火设计方法及耐火性能研究方面的部分新进展。该文最后对组合结构抗火研究领域需进一步开展的工作进行了探讨和展望。

关键词：组合结构；耐火性能；耐火极限；抗火设计；全过程火灾 中图分类号：TU352.5; TU398+.9 文献标识码：A

SOME NEW DEVELOPMENTS OF THE FIRE PERFORMANCE

RESEARCH ON COMPOSITE STRUCTURES

SONG Tian-yi , *HAN Lin-hai

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: The research on fire-endurance performance and fire-resistance design of composite structures is one of the hot topics in structural engineering. This paper briefly summarizes and reviews some of the recent progress on the fire performance of composite slabs, composite beams, composite columns, beam-column connections, frames and structural system. Finally, A number of issues need to be addressed on the fire performance of composite structures are identified and discussed.

Key words: composite structures; fire-endurance performance; fire resistance; fire-resistance design; full-range fire

近年来，由于建筑物高层化、大规模化及用途的复合化，火灾发生的因素随之增加，火灾规模也日趋扩大。如2001年的“9·11”事件中，纽约世贸中心WTC 两座110层411m 高的大楼因飞机撞击后发生的猛烈火灾而倒塌，造成两千多人死亡以及重大的直接经济损失；2004年10月17日，委内瑞拉首都加拉加斯的56层221m 高的中央公园双子塔发生大火，火灾持续 18 h ，造成数亿美元的直接经济损失；2003年11月3日，湖南省衡阳市衡州大厦发生特大火灾，由于火灾中大厦突然坍塌，造成20名消防官兵殉职；2003年11月24日，俄罗斯人民友谊大学发生火灾，造成40余名学生死亡；

2007年12月12日，温州市鹿城区人民路的温富大厦发生大火，造成多人死亡；2008年1月2日，新疆乌鲁木齐市的德汇国际广场批发市场发生火灾，3名消防官兵殉职、财产损失严重。

火灾严重威胁着人类的生命财产安全，同时也会产生不良的社会影响，并对环境造成污染。因此研究建筑结构的耐火性能和抗火设计原理，进而确定合理的防火构造措施非常重要。

众所周知，组合结构一般是指由两种或两种以上材料在构件层次上的组合，如常见的钢-混凝土组合板、组合梁，型钢混凝土，钢管混凝土和FRP(Fiber Reinforced Polymer)约束结构等，组合结构的特点在

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于如何优化地组合不同材料，通过组成材料之间的相互作用，充分发挥组成材料的优点，尽可能避免或减少其弱点所带来的不利效应，而且，通过不同材料的组合，使施工过程比钢筋混凝土结构(广义地说，也是一种组合结构)更为便捷[1]。组合结构的特点使其能够较好适应现代工程结构的施工和使用要求，在高层和超高层建筑中得到较广泛的应用，如北京世界金融中心入口大堂采用了钢管混凝土柱；天津今晚报大厦外框柱网采用了钢管混凝土柱；深圳赛格广场大厦框架柱及抗侧力体系内筒的密排柱均采用了圆钢管混凝土；杭州瑞丰国际商务大厦采用了框架-剪力墙结构体系，应用了方钢管混凝土柱、焊接工字钢梁、压型钢板组合楼板和钢筋混凝土剪力墙；上海金茂大厦外框采用了型钢混凝土；上海瑞金大厦1 层―9 层采用了型钢混凝土柱；北京京城大厦、环球金融中心等均采用了型钢混凝土结构；采用组合结构的高层和超高层建筑有很多，此处不再详述。图1所示为一正在施工中的采用钢管混凝土柱、钢-混凝土组合楼盖体系建筑的外景图。随着组合结构应用的增多，研究其在火灾下(后)的性能，为组合结构的抗火设计提供理论和试验依据是很有必要的[2]。

图1 正在施工中的某组合结构高层建筑[3] Fig.1 A general view of composite structure under

construction[3]

本文以论述国内外学者在组合结构耐火性能方面的研究成果为主，并结合建筑结构抗火性能研究方面的部分新成果，按照从结构构件向结构体系发展的研究思路进行论述，同时引入了全过程火灾(即考虑了升温、降温和火灾后各阶段)下结构工作机理研究的概念。本文论述的主要内容可归纳如下：1) 对组合构件抗火研究进行了总结，介绍了组合板、组合梁和组合柱等结构中主要构件的抗火研究现状和部分新进展；2) 对框架结构受力的关键部位—梁柱节点的耐火性能的研究现状进行了总结，探讨了目前节点研究的一些关键问题；3) 结合英国Cardington试验和美国“9.11事件”大楼倒塌原因的分析，对火灾下考虑结构整体性的结构研究现状及板的拉力膜效应和梁的悬链线效应等进行了论述；4) 对组合结构耐火性能方面需要进一步研究的工作进行了探讨和展望。

1 组合结构构件耐火性能的研究概况

构件作为结构体系的基本组成部件，了解其在火灾下的性能是了解结构体系在火灾下反应的重要基础。对组合结构耐火性能的研究应该由组合构件开始，逐步深化到节点、框架，最终达到对组合结构火灾下整体性能的把握。下面将分楼板、梁、柱三部分介绍目前对组合构件抗火设计研究的成果。

1.1 压型钢板-混凝土组合楼板

压型钢板-混凝土组合楼板具有承载力高、塑性和抗震性能好、经济效果显著和施工简便等优点，成为高层结构中不可缺少的组成部分[4]，因此研究其耐火性能，为抗火设计和防火构造提供依据非常重要。

李国强等(1999)[5]用有限差分法对开口型压型钢板-混凝土组合楼板火灾下的温度场分布进行了研究，给出了标准火灾下温度场分布的简化计算方法。蒋首超等(2004)[6―7]对 4 个采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板的钢-混凝土组合楼盖试件在不同荷载水平下的抗火性能进行了试验研究，并用自行编制的钢-混凝土组合楼盖抗火性能分析程序对试件进行了分析，研究发现：压型钢板的厚度对楼盖体系的抗火性能影响不大；试验过程中存在压型钢板和混凝土之间分离的现象，在理论分析时应该考虑这种因素的影响。在以上研究的基础上，蒋首超等(2006)[8]对压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能进行了参数分析，主要考虑了火灾荷载比、压型钢板厚度和配筋率等参数的影响。

韩林海和毛小勇(2001)[9]采用数值算法计算了组合板的耐火极限，分析了荷载、组合板的材料强度、构件截面含钢率、截面尺寸及保护层厚度等参数对组合板耐火极限的影响规律。

杨秀萍和张怀章(2007)[10]对压型钢板-混凝土楼板火灾下的温度场进行了模拟，考虑了接触热阻对温度场分布的影响。在温度场分析的基础上，杨