钢_混凝土组合结构抗火性能研究与应用(4)

(3)采用高温下钢材材性参数,计算结构中构件在外荷载和温度作用下的内力。

(4)进行荷载效应组合。

(5)根据构件和受载类型,进行构件耐火承载力极限状态验算。

(6)当设定的防火涂层厚度不满足要求时,可调整防火保护层厚度,重复上述(1)~(5)步骤。

214工程应用

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、超高层建筑以及大跨度空间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;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;上海金茂大厦外框架采用了型钢混凝土;环球金融中心等均采用了型钢混凝土结构;武汉新站、北京南站、长沙南站等均采用钢-混凝土组合结构技术。

关于组合结构部分的防火保护,在CECS200: 20065建筑钢结构防火技术规范6[119]颁布之前,钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁是按照GB50016) 20065建筑设计防火规范6[116]的要求并参照钢结构的防火要求进行设计,对于型钢混凝土柱防火保护参照混凝土柱的防火要求进行设计;此后,钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁的防火保护设计参照CECS 200:20065建筑钢结构防火技术规范6,该规范中钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁的防火保护设计考虑了混凝土部分的有利影响,且组合楼板的防火保护设计考虑了拉力膜效应,因而节约了组合结构的建筑防火成本。

3存在的主要问题

311试验研究

钢-混凝土组合结构抗火性能的试验研究,总体上构件试验较多,对节点和结构体系试验相对较少;

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对受压和受弯构件研究较多,对受剪和复合受力状

态研究较少。在试验方法上也是缺乏统一的试验标准,试验结果难以比较与共享。

312理论分析

钢-混凝土组合结构抗火性能的理论分析,总体上也存在类似试验研究方面的/两多两少0现象,即对构件分析较多,对节点和结构体系分析较少;对受压和受弯构件分析较多,对受剪和复合受力状态分析较少。

结构构件抗火分析研究中,解析法、半解析法和纤维模型法等等都不考虑钢与混凝土板滑移的影响,而直接采用平截面假设,且这些分析方法不能考虑先加载后升温的加载路径,分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变一般都被忽略,因此解析法、半解析法和纤维模型法适用范围较局限。

框架结构体系抗火分析中,学者们自编的专用有限元软件适用范围窄,单元类型单一,材料热-力耦合本构关系不完善,适用范围也较局限。

采用AN S Y S、ABAQU S等有限元软件可模拟钢与混凝土板之间的滑移性能,但由于火灾中构件截面由于温度分布的不均将引起截面应力重分布,以及受火构件膨胀引起框架内各相关构件的内力重分布,若考虑这些影响因素而需引入钢材和混凝土不同的加载、卸载和再加载路径,并考虑钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变,目前尚未见相关报道。

313设计方法

CECS200:20065建筑钢结构防火技术规范6[119]采用基于构件计算的设计方法,它克服了基于试验设计方法的主要缺陷,考虑了压型钢板-混凝土组合楼板的拉力膜效应。由于结构抗火分析本身的复杂性,该设计方法尚存在如下不足:

(1)不考虑火灾荷载和温度历史,一般采用先计算温度场,再计算该温度场下的极限承载力。

(2)考虑的是单个构件耐火极限或临界温度的计算,没有考虑火灾下结构体系的内力重分布。

(3)对节点的抗火设计考虑的不多,节点是受力最复杂的部位之一,且火灾下节点受力变化很大,是结构抗火的薄弱环节,结构是作为整体承受荷载,组合结构抗火设计应以/整体不倒塌0为最终目的,应考虑火灾下结构的整体反应特性,包括节点在内。

(4)该规范仅限于火灾发生时如何保证结构构件的耐火极限满足要求,对于在火灾扑灭后降温过程中和降温后结构是否破坏或倒塌尚未涉及。4尚需深入研究的问题

411高温材料热-力耦合本构关系

组合结构中的钢材和混凝土一般都处于多轴应力状态,且由于火灾下组合结构构件截面受火的不均匀性,其存在明显的截面应力重分布和构件间的内力重分布,同时已有的研究和火灾案例表明,结构可能在降温阶段破坏,此时结构受火时间较长,结构抗火分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变不能忽略,因此需建立考虑升、降温的多轴滞回应力状态下的高温热-力耦合材料本构关系。

412基于整体性能和升降温全过程的结构抗火分析计算理论

组合结构的特点在于钢-混凝土组合梁、压型钢板-混凝土组合楼板、钢管混凝土柱或型钢混凝土柱构件中的混凝土和钢材存在相互作用,混凝土和钢材间存在粘结-滑移。因此,有必要建立考虑火灾高温对钢管与混凝土约束套箍作用的弱化、对钢与混凝土间粘结-滑移性能的弱化、甚至高温导致的钢与混凝土分离、考虑组合结构在降温阶段的基于整体性能和升降温全过程的组合结构抗火分析计算理论,探讨整体结构倒塌过程,分析整体结构倒塌机理,提出火灾下整体结构破坏准则。

413整体结构数值火灾试验方法

足尺整体框架火灾试验费用昂贵,国内也很难展开如Cardington抗火试验的规模,有必要对组合结构的抗火性能展开数值火灾试验,充分发挥计算机、数值模拟的高技术优势,研发整体结构数值火灾试验方法,实现火灾下局部楼层或隔间烟雾弥散过程、结构构件和节点升温过程、升温阶段结构的变形过程(或倒塌过程)、降温阶段结构的变形过程(或倒塌过程)以及火灾后结构的变位等数值模拟,以解决大型结构无法进行火灾试验的难题。

414/三水准0结构抗火设计与灾后结构损伤评估已有组合结构抗火分析研究成果表明,火灾下组合结构的最不利位置为柱和节点,这一点与地震作用下结构的最不利位置是一致的,因此结构抗火设计原则应基于结构抗震设计原则,如结构抗震中/强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固0的设计原则一样适用于结构抗火设计原则,结构抗震中/小震不坏、中震可修、大震不倒0的设计原则可供借鉴。在结构抗火设计中提出/小火不坏、中火可修、大火不倒0的抗火设计原则,在火灾后评估工作中建立/小火维修、中火加固、大火重建0的结构评定准则及相应的火灾损伤指标评定体系,具有十分重要的理论意义和实用价值。

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415基于结构性能的抗火设计方法

科学合理的结构抗火设计方法应根据具体结构对象,直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标,确定结构抗火需求;另考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。性能化方法以结构抗火需求为目标,最大程度地模拟结构的实际抗火能力。此外,结构抗火是个时变的过程,火灾过程中结构的/抗力0和/荷载效应0都是时变过程,有必要建立其概率模型,确定模型参数随温度的定量变化规律和结构抗火的目标可靠指标,提出满足性能化目标的结构抗火设计准则。

火灾是一种小概率的极端事件,对火灾整体结构的破坏准则可以放松,可以容许部分构件在火灾下失效或破坏,但需结构关键部位构件不失效和整体结构不倒塌,这对实现整体结构的消防安全目标,节约建筑防火成本具有重要意义。

参考文献

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