鋼-混凝土組合結構抗火性能研究——與建筑火災作斗爭
                                                點擊數: | 發布時間:2018-09-17

                                                蘭州理工大學土木工程學院教授王文達

                                                        王文達教授是清華大學博士后,國家一級注冊結構工程師,主要從事鋼-混凝土組合結構、混合結構及鋼結構的靜力性能、抗震性能與抗火性能研究。

                                                        目前,鋼-混凝土組合結構在我國高層與超高層建筑中得到了廣泛應用,高聳結構的抗火問題一直是業內人士關注的焦點。鋼-混凝土組合結構是在鋼結構和混凝土結構基礎上形成的一種新型組合結構形式,具有承載力高、抗震性能好、裝配化程度高、耐火性好等優點,已廣泛應用于我國高層與超高層建筑中。根據其截面形式不同,組合結構分為型鋼混凝土結構(SRC)和鋼管混凝土結構(CFST)

                                                不同構件截面形式

                                                鋼-混凝土組合結構抗火性能研究現狀

                                                        王文達教授主要從鋼管混凝土結構抗火方面淺談其研究現狀。

                                                        1)火災下的性能與耐火極限

                                                        火災作用下,鋼管混凝土柱的核心混凝土可吸收外圍鋼管傳來的熱量,使其外包鋼管升溫滯后,有效降低鋼管承載力的損失,而鋼管也可以保護混凝土不發生“爆裂”現象。各國學者采用理論與試驗相結合的方法對鋼管混凝土構件的耐火極限進行研究,研究結果表明,采用耐火鋼材的鋼管混凝土柱的耐火極限和抗變形能力均有所提高,且荷載偏心對火災時構件工作不利。此外,在鋼管中填充鋼纖維混凝土可有效提高構件耐火極限。總體來說,過去國內外學者在鋼管混凝土工作機理和力學性能研究方面已取得一系列重要成果。

                                                        2)火災后的加固修復與評估

                                                        與鋼筋混凝土柱不同,由于外部鋼管的包裹作用,鋼管混凝土柱中的混凝土不會出現“爆裂”和剝落現象。過火后鋼管混凝土柱的修復加固一般采用在其外包裹鋼管或混凝土,即“增大截面加固法”。

                                                完善鋼-混凝土組合結構抗火性能

                                                        雖然鋼-混凝土組合結構有著良好的耐火性能,但也存在一些問題,王文達教授認為有以下幾個方面需要完善。

                                                        1)高溫對材料及界面等力學性能的影響

                                                        火災下結構的數值模擬被廣泛應用,合理確定高溫對材料及不同材料之間界面等性能的影響,是準確進行組合結構抗火性能研究的基礎,主要包括:高溫對材料特性的影響;高溫作業對鋼-混凝土界面性能的影響;對混凝土“爆裂”的影響。

                                                        2)荷載作用“全過程”與結構受力“全過程”分析

                                                        結構荷載作用“全過程”是指在服役階段會承受:正常使用階段的荷載;火災作用時的非常規荷載;火災荷載去除后結構繼續承受的荷載。結構受力“全過程”主要指:正常使用階段的結構應力;火災作用下結構的受力與變形;火災去除后或出現局部破壞后結構的應力與變形。

                                                        3)組合結構節點耐火性能

                                                        試驗研究表明,框架結構節點破壞極易產生結構薄弱層,導致樓板下塌,進而影響柱的側向曲屈,造成結構整體倒塌。

                                                        4)組合結構體系耐火性能

                                                        火災作用下,不僅結構材料會發生劣化,而且結構構件的溫度變化還會導致結構內力重分布。因此,與構件或節點研究相比,深入研究框架結構的耐火性能和抗火能力對結構抗火設計具有更加重要的意義。

                                                        5)火災與其他災害耦合效應

                                                        隨著我國建筑業的快速發展,城鎮超規模復合型建筑日益增多,研究其在典型非常規突發災害(爆炸、火災、強烈地震等)單獨或同時作用下的抗連續倒塌應用技術和綜合防災減災能力評價技術具有重要意義。

                                                        6)既有組合結構抗火能力評估和災后修復加固技術

                                                        有必要對既有建筑的防火保護措施、火災荷載分布、結構承載力現狀進行調查,對既有建筑火災風險進行評估,并研究既有建筑結構火災下的耐火極限、承載力和倒塌破壞規律。

                                                王文達教授科研團隊研究成果展示

                                                        王文達教授進行組合結構抗火研究的10年時間里,科研團隊主要研究方向如下。

                                                        1)開展考慮火災全過程的鋼管混凝土結構抗火性能研究

                                                        團隊于2009年申請并獲批教育部科學技術研究重點項目資助,致力于考慮火災全過程的鋼管混凝土組合結構研究,主要考慮常溫加載、恒載升溫、降溫和火災后4個受火階段。

                                                全過程火災分析路線及計算曲線

                                                        2)開展新型鋼管混凝土構件抗火性能及設計方法研究

                                                        團隊于2014年申報并獲批國家自然科學基金項目——全過程及非均勻受火下內配型鋼的鋼管混凝土構件抗火性能,主要以研究內部配置型鋼的鋼管混凝土組合構件在考慮升降溫全過程火災及非均勻火災作用下的工作機理和設計方法為目標,進行各典型受火工況下該類組合構件的試驗研究,細致分析和測試構件受火及受力全過程中內部型鋼、核心混凝土及外鋼管三者之間的受力特性,明晰其工作機理。

                                                內配型鋼鋼管混凝土構件抗火試驗

                                                        3)開展局部火災作用下鋼管混凝土結構體系抗連續倒塌性能研究
                                                        團隊于2013年申報并獲批國家自然科學基金項目——局部火災下鋼管混凝土組合框架連續倒塌機理與設防對策。

                                                局部火災引起的鋼管混凝土框架破壞示意

                                                柱破壞引起的連續倒塌示意

                                                 


                                                注:本文內容摘自《施工技術資訊》(20181月第1期,http://www.lmxa.tw/Item/80082.aspx),由本刊編輯整理。

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