组合结构抗火：非均匀受火的内配型钢钢管混凝土柱耐火性能分析

一、研究背景

柱结构作为主要的承重构件，在建筑结构中起到至关重要的作用，因此其抗火性能的研究显得尤为重要。实际结构工程中，并不是所有的柱都处于均匀受火状态中，柱与结构墙或隔墙组成竖向受力或维护体系，由于框架柱在结构中位置的不同，可形成多种受火边界条件，如三面受火、相对两面受火、相邻两面受火和单面受火，如图1所示。目前，对钢-混凝土组合结构耐火性能的研究多集中在四面受火工况，我国现有的一系列针对钢管混凝土结构的抗火设计规范中，都基于假定柱构件处于均匀受火的工况给出相应的抗火设计方法。对于内配型钢钢管混凝土柱，国内外尚缺乏对于该类构件不同受火工况下的试验数据和耐火性能的深入研究。因此，对非均匀受火工况下内配型钢钢管混凝土柱抗火性能进行研究，对评价该类组合结构体系整体抗火性能和设计具有重要的意义。

二、试验设计

共设计方形截面试件4根，所有试件均内置十字型钢使截面沿双轴对称，以规避强、弱轴加载对耐火极限的影响，试件设计如图2所示。以三面受火、相邻两面受火、相对两面受火及单面受火四种受火工况为试验参数，研究和揭示非均匀火灾对该类组合柱的破坏形态和力学性能的影响。试件高度为3810mm，实际受火高度为2920mm。为使柱端钢管、混凝土和型钢均匀承受荷载，设计30mm厚加载垫板，加载垫板与钢管和型钢均焊接连接。采用辊轴铰支座实现柱上、下铰接的边界条件，并对柱顶施加轴向集中荷载。试验背火面采用包裹100mm厚的耐火棉(耐火陶瓷纤维毯)的方式来实现背火面。所选用的陶瓷纤维毯最高可耐1200℃高温，产品规格为厚度50mm，故试验中包裹两层。

试验过程中，对柱顶的轴向位移、柱跨中截面位置处的侧向位移和截面典型测点的温度进行量测。本次试验中各试件具体热电偶的布置如图2所示，为验证温度沿柱不同高度处均匀分布，在跨中截面及距中截面向下1m位置处布置两排热电偶，其中括号内测点代表下排位置测点。

三、试验结果与分析

试件破坏模态如图3所示。尽管4个试件受火工况不同，所有试件均发生整体弯曲失稳破坏。在柱跨中位置附近，柱侧向挠曲达到最大；受压区钢管有明显的向外局部屈曲，且沿柱长有规律地分布。受火面钢管表面温度超过650℃，钢管表面的颜色在火灾作用后呈灰黑色或灰褐色，氧化层局部起鼓、酥脆，并有脱落；有防火棉保护区域的钢管在火灾作用后其表面的颜色呈暗红色，并失去光泽。

剖开钢管并凿掉外围混凝土，对其内部的破坏特征进行详细观察，如图4所示。由于外钢管的约束作用，混凝土有较好地完整性，其表面局部有碎片和轻微的剥落，并且多集中在钢管局部鼓屈最严重位置处。由于高温和荷载共同作用，外围混凝土疏松和酥脆，较容易凿掉。由于混凝土的包裹作用，四个试件的型钢均有较好地整体性，型钢受压侧翼缘出现了局部屈曲。型钢对核心混凝土紧密包裹并提供较好的约束，与核心混凝土形成一个整体。

SRCFST柱经历火灾作用时有较好地力学特性。型钢对核心混凝土较好的约束作用保证了整个火灾作用下核心混凝土的强度，且与外围混凝土之间形成了明显的划分界面；而型钢上温度较低且处于混凝土的包裹之中，加强了型钢在承载过程中的稳定性，一定程度上避免了型钢局部屈曲的发生。型钢、钢管和混凝土三者有效结合而共同工作，为内配型钢钢管混凝土柱发挥较好地耐火性能提供了保障。

对试件典型测点温度进行量测，如图5所示。受火侧钢管上测点温度在40min内迅速升高至600℃，此时钢管的刚度和强度退化严重；背火面钢管温度低于受火侧，试件破坏时温差达150℃~ 400℃。混凝土内部的温度上升明显滞后，在100℃左右，由于自由水蒸发后水分迁移，温度曲线出现平稳或缓慢上升。由于被混凝土包围，型钢的温度发展缓慢。升温1.5 h后，型钢整体温度仍在300℃以下，表明型钢包围区域形成了低温核心区。也就是说，核心区材料性能退化有限，有利于受火后期的承载能力。

为了进一步分析非均匀火灾对截面温度梯度的影响，图6给出了试件失效时的温度分布。可以看出，整个截面区域有明显的温度梯度；对于相同坐标的测点，受火面较多的测点有较高的温度。此外，最低温度区域更靠近背火面的一侧，这表明沿截面中心的温度分布不对称。高温下强度和刚度的退化不一致，显示出截面强度的偏心。结果表明，在非均匀火作用下，试件的刚度中心随着温度的升高逐渐向未暴露侧偏移。

分析试件变形-时间曲线得到，非均匀火灾作用下SRCFST柱轴向变形经历了升温初期膨胀阶段、稳定压缩和快速失效三个阶段。由于温度分布的不对称，柱的侧向膨胀在径向上持续增加。升温初始阶段受火侧的膨胀速率高于背火侧，使柱产生朝向受火面的挠度。随后，由于刚度中心的偏移对横向变形的影响，抵消了不对称热膨胀引起的初始挠度，柱的挠曲方向发生反转。

四、有限元分析

采用有限元软件ABAQUS建立热力耦合模型，对典型测点的温度变化、柱顶轴向变形和耐火极限进行计算，并与试验结果对比。结果表明，有限元计算结果与试验值吻合较好。

基于已验证的有限元模型，研究了SRCFST柱在非均匀火灾作用下最不利截面的温度分布以及柱的耐火性能，以进一步分析SRCFST柱在非均匀火灾作用下的火灾响应。图10所示为4个试件最不利截面的温度分布，三面受火和单面受火试件的温度梯度仅沿x轴对称分布，低温区向背火侧偏移；相邻两面受火试件的温度场沿对角对称分布。因此，不同升温速率引起的不对称热膨胀使柱向受火侧的挠曲，即产生了附加挠度；此外，受火过程中截面刚度中心向低温区偏移，产生附加偏心距。这一现象对于非均匀火灾作用下的柱的防火性能至关重要。

非均匀受火工况下组合柱的耐火性能受到荷载作用点的位置的影响，其抗火性能与均匀受火工况相比更为复杂。由于试验装置、试件尺寸和加工误差等因素，无法对耐火试验中各试件的初始缺陷进行准确量测，本文对不同荷载作用下位置的耐火极限进行计算，并与试验结果进行对比，如图11所示。基于P3.4加载模式得到的耐火极限比P3.2荷载模式下得到的耐火极限高，表明靠近受火侧的初始偏心荷载对耐火极限有更不利的影响。试件最终的挠度方向可能受到初始载荷位置的影响。此外，SRCFST柱的受火面越少，其耐火极限越高。

对影响耐火极限的主要因素进行计算和分析，荷载比(n)、截面尺寸(B)和长细比(λ)对耐火性能有显著影响。随着荷载比的增加，柱的耐火性能迅速降低，尤其是长细比较大的柱；由于刚度的损失，长细比(λ)对耐火性能也产生不利影响；SRCFST柱的耐火性能随着截面尺寸(B)的增大而显著提高；钢和混凝土的强度对耐火性能的影响很小。SRCFST柱的耐火性能随型钢含钢率的增加而增大，而随钢管含钢率的增加而减小，但整体上看影响有限。

荷载偏心率对非均匀火灾下SRCFST柱的耐火极限的影响与均匀火灾作用下不同。当偏心率在一定范围内，耐火极限有突变，且在偏心率为0.1时达到峰值，此处外荷载作用点与有效刚度中心重叠。忽略偏心率对耐火极限突变的复杂影响，其对非均匀火灾作用下SRCFST柱耐火极限影响较小。

五、不同火灾工况下极限承载力计算方法

目前，尚缺乏针对SRCFST柱在标准火灾作用下(均匀受火和非均匀受火)的极限承载能力的设计方法。由于内置型钢对组合柱耐火性能的显著影响，现有规范中CFST柱的抗火设计设计方法并不适用于SRCFST柱。基于此，采用Rankine理论提出了SRCFST柱在均匀火灾作用和非均匀火灾作用下的承载力计算方法，并与试验结果进行了验证，有较好的计算精度。

六、结论

Conclusions

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子程序开发等

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[4].王文达*，魏国强．基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2015，35(6):30-35.

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[6].王文达*，杨全全，李华伟．基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2014, 33(16):142-149.

[7].李华伟，王文达*．ABAQUS二次开发在钢管混凝土结构有限元分析中的应用．建筑结构学报，2013，34(s1):353-358.

装配式钢筋混凝土结构

[1].Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735.

新型高性能结构材料

[1].Gao Fang-Fang, Tian Wei, Wang Wen-Da. Residual impact resistance behavior of concrete containing carbon nanotubes after exposure to high temperatures. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130183. 

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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组