钢-混凝土组合结构抗火性能研究与发展综述

钢-混凝土组合结构抗火性能研究与发展综述

黄枝兵

湖北路远建设集团有限公司 434000

摘要：火灾极易造成结构损伤、破坏甚至倒塌。随着建筑事业的发展和建设水平的提高, 如何合理进行结构的抗火设计正越来越受到学术界和工程界的关注。本文通过综合分析整理国内外文献资料，介绍了火灾的危害性，详细阐述国内外各专家学者在组合结构构件、梁柱节点、整体结构抗火性能方面的研究进展，总结了结构抗火设计的方法，提出了结构抗火需进一步研究的问题，给出了钢-混凝土组合结构抗火设计的建议。

关键词：结构抗火；火灾；研究进展；抗火性能；抗火设计；组合结构

1 前言

近几十年来，我国的高层建筑发展非常迅速，建筑结构火灾的问题也日益突出，这些都迫切需要进行结构抗火性能的研究。现代建筑中大部分采用钢筋混凝土结构和钢结构作为承重结构，根据已有的研究成果，钢筋混凝土结构在火灾(高温)下钢材和混凝土的强度、弹性模量等均随温度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、钢材在300度以上，其力学性能严重恶化，高温下材料性能的变化是结构的承载力和耐火极限严重下降的一个主要原因。另外结构受火时受火面温度随周围环境温度迅速升高，但由于混凝土的热惰性，内部温度增长缓慢，截面上形成不均匀温度场，这些变化都足以危及结构的安全性，某些情况下会导致结构失效。

钢-混凝土组合结构具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便以及造价经济合理等优点，近年来在高层建筑结构中得到广泛应用。因此，研究钢-混凝土组合结构的抗火性能、建立钢-混凝土组合结构的抗火设计理论具有重要的现实意义。本文对钢-混凝土组合结构抗火性能方面需要进一步研究的工作进行展望，期望能为后续研究提供一些意见和建议。

2 钢-混凝土组合结构抗火研究进展

2.1 压型钢板-混凝土组合楼板的抗火研究

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，因此研究其抗火性能，为抗火设计和防火构造提供依据非常重要。

韩林海和毛小勇对压型钢板钢-混凝土组合板耐火极限进行了理论研究，并提出了钢-混凝土组合板耐火极限的判别准则：（1）板丧失支持能力。板的挠曲率突变为失去支撑能力的情况，此时板的内外力不能再继续维持平衡。（2）板产生过大的变形。板的挠度达到计算跨度的3.5%即认为达到此极限状态。（3）板失去隔火作用。当板背面平均温度升到130℃（不包括初始温度）或任意一点温度达到220℃时，即可认为板失去了隔火作用。以上三者之一发生即认为板达到了耐火极限。应用有限元和有限差分法相结合的方法分析了组合板的温度场分布，并分析了板厚、钢材强度、含钢率及混凝土强度对压型钢板混凝土组合板耐火极限的影响，最终获得压型钢板混凝土组合板耐火极限实用计算方法。

杨秀萍和张怀章对压型钢板-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，杨秀萍和张怀章采用有限元方法对简支和连续压型钢板-混凝土组合楼板不同位置受火后的变形规律、破坏特征、内力重分布等进行了研究，并分析了连续板负弯矩区钢筋长度对耐火极限的影响。

Yu等采用正交板有限元方法对火灾下压型钢板-混凝土组合楼板进行了分析，采用9节点等参板单元来模拟压型钢板-混凝土组合楼板上部连续的部分，采用3节点梁单元来模拟下部的板肋，研究结果表明楼板形状对温度分布和结构性能有较大影响，并在分析基础上给出了组合板外形的选择建议。

2.2 组合梁的抗火研究

钢-混凝土组合梁是在传统的钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，采用抗剪连接件将二者连接起来，使其协同工作，共同受力。普通钢材的热工性能较差，在火灾下其材料性能很快劣化，但由于混凝土的存在可在一定程度上弥补了钢材的不足，所以钢-混凝土组合梁高温下的性能不能单独用钢结构或混凝土结构的研究成果来代替，需要对钢-混凝土组合梁的耐火性能展开进一步的研究。

同济大学对钢-混凝土组合梁做过系统的试验与理论研究，结果发现：

（1）荷载比和钢梁防火保护层阻热系数对组合梁耐火时间影响很大。

（2）荷载比一定时，混凝土板厚度、钢梁截面尺寸、栓钉数量等因素对组合梁耐火极限的影响很大。一般而言，混凝土板越厚，栓钉数量越多，钢梁腹板越高、翼缘越宽，组合梁的抗火性能越好。

（3）荷载比一定或在工程常用范围内时，混凝土材料强度、混凝土板有效翼缘宽度、钢梁材料强度、楼板内钢筋的直径和强度等因素对组合梁的耐火极限影响很小。

（4）组合梁为固支边界条件时，钢梁端部下翼缘会发生局部屈曲。在试验与理论研究的基础上，提出了组合梁实用抗火设计方法。

2.3 组合柱的抗火研究

钢管混凝土柱是在空钢管中浇灌混凝土、两者形成整体而共同工作的受压构件。由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间能够相互贡献、协同互补、共同工作，使得这种结构具有较好的耐火性能。

对钢管混凝土柱进行抗火研究的代表性人物有韩林海和加拿大的Lie、Kodur等。韩林海等从1995年开始对钢管混凝土柱进行了系统而深入的试验研究和理论分析，主要成果如下：

（1）在确定高温下组成钢管混凝土的钢材和核心混凝土的应力-应变关系模型的基础上，建立了钢管混凝土柱耐火极限和火灾下力学性能的数值分析模型，并利用所建立的数值分析模型，进一步分析了火灾荷载比、材料强度、截面含钢率、横截面尺寸、构件长细比和荷载偏心率等参数对钢管混凝土构件耐火极限和承载力的影响规律，提出了承载力和防火保护层厚度的实用计算方法。

（2）对恒高温作用后钢管混凝土轴心受压力学特性进行了理论分析和试验研究，确定了组成钢管混凝土的钢材和混凝土在高温作用后的应力-应变关系模型。在此基础上，利用数值分析方法计算出火灾后钢管混凝土压弯构件的荷载-变形关系曲线，理论结果和试验结果吻合较好。在系统分析了火灾持续时间、构件截面含钢率、钢材和混凝土强度、荷载偏心率和构件截面尺寸等因素对火灾作用后钢管混凝土构件承载力影响规律的基础上，提出了火灾作用后钢管混凝土构件承载力的简化计算方法。

2.4 梁柱节点的抗火研究

高温下梁柱节点强度和刚度的退化对整体结构在火灾下的性能会产生显著影响，因此研究梁柱节点的高温力学性能是研究整体结构在火灾下力学性能和抗火设计方法的前提和基础。

从上世纪70年代开始，法国、英国等国的学者相继开展了对钢梁柱节点抗火性能的试验研究和理论分析。1976年法国的Kruppa首次进行了6个不同类型节点（包括弹性节点和刚性节点等）的火灾试验，试验的主要目的是为了研究高强螺栓在火灾下的工作性能，对于节点的性能则未见报道。随后British Steel于1982年对刚性节点进行了两组试验，试验结果表明：节点在火灾下能承受较大的变形。1990年Lawson进行了8组梁柱节点的试验研究，这是首次将结构的连续性考虑进节点的试验中。Lawson研究了三种典型的节点类型，包括刚性节点、半刚性节点和铰节点。试验结果表明：火灾下节点的弯矩承载能力是常温下弯矩承载能力的2/3，钢梁和混凝土板的组合作用可以增强节点的抗弯能力。但由于试验的数据不足，Lawson无法给出节点的弯矩-转角特性。1997年Leston-Jones等人在对平端板节点进行火灾试验研究的基础上得到了节点的弯矩-转角关系。Al-Jabri等则分析了构件尺寸、端板类型和厚度以及组合楼板等因素对节点火灾性能的影响，并建立了节点的弯矩-转角-温度关系曲线。

2.5 整体结构的抗火试验及性能研究

人们已经逐渐意识到，单个构件的火灾性能和整体结构的火灾性能是不同的。实际上，由于不同构件之间是通过节点相互联系的，且形成的结构体系多为高次超静定体系，在受火过程中单个构件抗力的下降，势必在体系内引起内力重分布。此外，升温过程中材料的膨胀与降温过程中材料的收缩都会在体系内部产生内力，甚至引起柱失稳和梁发生局部屈曲。因此，单个构件（包括节点）的试验并不能准确反映出整体结构在火灾中的真实行为。

20世纪90年代中期，英国的建筑研究所和钢协会在Cardington的火灾研究实验室里，对一栋8层的足尺钢框架建筑先后进行了6组火灾试验。试验的目的旨在研究整体结构在自然火灾条件下的行为，并为各种数值模型的验证提供大量的试验数据。这项耗资几百万英镑的研究计划得到了一些意义深远的发现：

（1）试验中测得的空气温度最高可达到1200℃以上，尽管楼板发生了很大的变形，但整体结构并未破坏。而如果按照现行规范计算的话，结构在680℃左右就应该发生破坏，该值比实测的温度值要低得多，这就意味着现行规范并不能真实地反映结构在火灾中的性能。

（2）整体结构是一个高次超静定结构，存在着多条荷载传递路径。当部分构件发生承载能力失效时，其所承受的荷载可以通过其它传力路径传递给未发生失效的构件和结构，所以处于整体结构中的构件的耐火性能比标准火灾试验中单个构件的耐火性能要好得多。

（3）组合楼板对防止结构倒塌起到了至关重要的作用。随着温度的升高，楼板的变形模式由小变形过渡为大变形，承载机制也相应的由抗弯承载过渡为受拉薄膜作用承载。当温度很高时，楼板成为最主要的承载构件，板上的荷载大部分是由抗裂钢筋网形成的受拉薄膜作用承担。因此楼板的薄膜作用在一定程度上可以取消大部分钢梁的防火保护，从而减少了防火保护的费用，同时仍可以保证整体结构的抗火能力。 

3 钢-混凝土组合结构抗火研究的发展趋势

尽管国内外学者对组合结构抗火性能研究已取得了丰硕成果，但仍存在诸多问题亟待解决，这也是今后组合结构抗火研究的发展趋势。 

（1）以上所述的组合构件和结构大部分都是按照标准的火灾升温曲线进行试验的，而真实的建筑室内火灾发展经历初期增长、充分发展和衰减三个阶段，并不完全符合标准的升温曲线，因此如何更科学合理地确定结构所处的火灾环境（包括一般室内火灾和大空间建筑火灾）仍是目前的研究趋势。 

（2）火灾下楼盖体系的薄膜效应及坍塌破坏机制等问题需要进一步研究，包括楼盖体系的类型、约束条件、受热机制、钢筋的布置等各种因素对楼盖体系抗火性能的影响、如何更精确地对楼盖体系的薄膜效应进行数值模拟，以及如何建立合理的设计计算方法等等。 

（3）由Cardington的足尺火灾的试验分析得出：节点对提高整体结构的抗火能力有着显著的影响，特别是当结构发生大变形的情况时。目前对结构连接节点的工作机理仍缺乏足够的理论研究和试验验证，因此有必要对其包括延性和承载能力等各方面的火灾性能进行更全面和深入的研究。 

（4）试验炉中进行的单个构件的火灾试验，并不能完全反映构件在结构中的抗火性能，因此有必要对火灾下整体结构的结构反应、承载能力、破坏准则、倒塌机制以及数值模拟等问题开展更为广泛和深入的研究。 

4 裸露钢构件的耐火性能

近年来，由于钢-混凝土组合结构具有轻质、高强、施工便利等优越性能，得到越来越广泛的应用。钢-混凝土组合结构通常具有裸露的受力钢构件，因而，钢-混凝土组合结构也和钢结构一样，抗火设计是结构设计中的一个非常重要的环节。

钢-混凝土组合结构由钢-混凝土组合构件组成。钢-混凝土组合构件是指由钢和混凝土两种不同材料组成一个整体而共同工作的构件。主要包括压型钢板混凝土组合楼板、钢-混凝土组合梁、钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构、外包钢混凝土结构等。钢-混凝土组合结构的抗火设计主要是对其中裸露的钢构件进行抗火设计，它与钢结构的抗火设计有相同之处，又有所区别。

4.1　高温下钢材的强度明显降低

钢材虽然属于非燃烧材料，但不耐火。当温度达到400℃时，其强度就会降低到原强度的一半；当温度达600℃时，钢材基本丧失其全部的强度。

图1和图2为常温时钢材应力应变曲线示意图和不同温度时钢材应力应变曲线示意图。从图中，我们可以看出，随着温度的升高，钢材的屈服强度明显降低，当钢材温度超过600℃时，其强度已基本丧失。

图1常温下钢材应力应变曲线图

图2不同温度下钢材应力应变曲线图

4.2　火灾时钢构件升温迅速

由于钢材的导热系数很高，使得钢材在火灾发生时升温很快，在短时间内即可达到很高的温度。表1给出标准升温曲线温度和时间的关系。由于钢构件在高温下屈服强度和弹性模量明显降低，而火灾发生时裸露钢构件升温速度极快，因此，钢-混凝土组合结构的裸露受力钢构件必须进行抗火设计，并进行抗火防护。

表1标准升温曲线温度和时间的关系

5 钢-混凝土组合结构的抗火设计方法

5.1　抗火设计的基本要求

组合结构抗火设计的基本要求是使组合结构的钢构件耐火时间不能低于一定的数值，即在小于该数值的时间范围内结构不被破坏，使其抗火性能满足建筑对构件耐火极限的要求，具体应满足下列三种条件之一。

（1）在规定的耐火时间内，结构构件的承载力R不应小于各种作用所产生的组合效应S，即R≥ S；

（2）在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间t不应小于规定的结构耐火时间[t]，即t≥ [t]。

（3）在火灾状况下，结构达到承载力极限状态时的内部临界温度T不应小于在规定的耐火时间内结构的最高温度[T]，即T≥[T]。

5.2　抗火设计的方法

钢构件抗火设计的传统方法是采用耐火试验法。其方法是首先确定建筑物的耐火等级，然后根据耐火等级确定受力构件的耐火极限，再确定受力构件的防火保护措施和防火构造方法，通过标准耐火试验核准其耐火极限值，使结构构件满足抗火要求。

（1）耐火极限的确定方法　在进行抗火设计时，首先应确定建筑物的耐火等级，进而确定结构构件的耐火极限要求。一般建筑物的耐火等级可按规范的相关规定确定。

在确定结构构件的耐火极限要求时，应考虑下列因素：

1）建筑物的耐火等级越高，结构构件的耐火极限要求也越高；

2）越重要的构件，耐火极限要求应越高，一般情况下，建筑结构的竖向受力构件(如：柱等)的重要性比梁重要，而梁又比楼板重要；

3）如在高层建筑中，建筑下部的构件比建筑上部的构件更重要。此外，建筑物内的火灾荷载密度、自动灭火配置情况等因素均对结构构件的耐火极限要求有影响。

《建筑室内装修设计防火规范》给出了钢结构构件的耐火极限要求，见表2。钢-混凝土组合结构钢构件的耐火极限按照其构件的位置和重要性参考上述原则和表2确定。

表2 钢结构构件耐火极限要求

（2）组合结构的一般抗火措施　

钢结构构件进行抗火设计时，通常是采取措施提高钢构件的抗火性能，然后用标准耐火试验核准其耐火极限值，使钢构件达到规定的耐火极限要求。

常用的提高钢构件抗火性能的措施有：

1）防火涂料法

将具有一定厚度的防火涂料直接喷涂在钢结构构件上。防火涂料主要有两类：

涂层厚度8～ 50mm，粒状表面，密度较小，耐火极限1h～ 3h的为厚涂型防火隔热材料；

涂层厚度3～7mm，遇火膨胀增厚，耐火极限0.15h～ 2h的为薄涂型防火隔热材料。

喷涂法造价较低，操作简便，施工速度快，不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性，但是构件表面不平整，影响美观。

2）屏蔽法

将防火材料或防火砖设置于构件的外围，将构件与火焰隔离。常见做法是在钢构件的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开。

3）实心包裹法。将钢构件浇注到混凝土中。对于钢柱，常用的方法为浇筑混凝土或砌筑耐火砖，完全封闭钢构件，以达到抗火的目的。

4）膨胀漆覆盖法。将具有一定厚度的膨胀漆喷涂、抹、刷在经过处理的构件表面。抗火极限最高可达2h。覆盖法施工容易，但不适用于潮湿的环境，仅适用于干燥的室内。

5）其他方法。根据结构的特点采用因地制宜的方法。如美国匹兹堡65层的美国钢铁公司大厦的空心钢柱采用水冷却法进行防火保护等等。

对于钢-混凝土组合结构，根据其裸露钢构件的不同特点，可采用不同的方法进行抗火防护。

1）钢管混凝土结构：可采用防火涂料法、屏蔽法、包裹法等对裸露的钢管进行防护；

2）钢—混凝土组合梁：可采用防火涂料法、做防火吊顶进行单面屏蔽等方法对钢梁进行抗火防护；

3）钢骨混凝土结构：由于钢骨包含于混凝土内部，因此可按钢筋混凝土结构的要求进行抗火设计；

4）压型钢板混凝土组合板：和钢—混凝土组合梁一样，可采用防火涂料法、防火吊顶单面屏蔽法等等抗火防护方法；

6 耐火性能的比较

研究结果表明，在相同的条件下，钢-混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的耐火性能，并得到试验的验证。下面以钢管混凝土柱和压型钢板混凝土组合楼板为例，将钢-混凝土组合结构的耐火性能与普通钢结构的耐火性能进行比较。

6.1钢管混凝土柱与普通钢柱的比较

试验研究结果表明，设计荷载作用下的钢管混凝土柱在遭受火灾时比普通钢柱具有更好的耐火性能。文献在此基础上，提出圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱耐火极限的理论计算模型，文献对模型计算结果进行了验证。结果显示：

（1）在相同耐火极限要求的条件下，圆钢管混凝土柱的防火保护层厚度随构件直径的增大和长细比的减小呈降低的趋势。对于长细比较大(≥ 100)且截面直径较小(≤ 500 mm)的情况，当要求耐火极限小于2 h时，钢管混凝土柱的防火保护层厚度和《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045- 95)中对钢结构柱规定的保护层厚度接近。对于其它情况，相同耐火极限条件下，圆钢管混凝土柱所需的防火保护层厚度则远小于普通钢结构柱的防火保护层厚度。

（2）在相同耐火极限要求的条件下，方钢管混凝土柱的保护层厚度随构件截面尺寸的增大和长细比的减小呈降低的趋势。同样，相同耐火极限条件下，方钢管混凝土柱所需的防火保护层厚度也远小于相对应的钢结构柱的防火保护层厚度。

6.2组合结构耐火性能较优的原因

钢-混凝土组合结构耐火性能一般优于普通钢结构，其原因有几方面：

（1）混凝土对钢构件的保护作用。由于钢-混凝土组合结构是钢和混凝土组合在一起共同作用的，因而其裸露钢构件的面积通常比相对应的钢结构少，从而使钢构件受火面积减少，提高抗火性能；

（2）由于混凝土的吸热作用，使钢构件在火灾时升温较慢，相应提高耐火性能；

（3）由于混凝土对钢构件的支撑作用，使得高温下屈服强度降低的钢构件的刚度不至于迅速降低，钢构件不至于很快破坏。

7　关于组合结构抗火设计的建议

通过对钢-混凝土组合结构抗火设计方法的探讨及其与普通钢结构抗火设计方法的比较，可以得出以下结论：

（1）钢-混凝土组合结构的抗火设计属于钢结构抗火设计的范畴，其抗火设计的方法以钢结构抗火设计方法为依据和参考，但是钢-混凝土组合结构的耐火性能优于普通钢结构；

（2）钢-混凝土组合结构的抗火防护措施应根据其裸露钢构件的特点因地制宜确定，常用的抗火防护措施有防火涂料法、屏蔽法和包裹防护法等；

（3）单纯采用耐火试验法进行钢-混凝土组合结构的抗火设计，由于无法准确模拟不同构件截面、不同约束条件、不同升温温度等各种情况，导致抗火设计时趋于保守，并需要较高的试验费用。

根据钢-混凝土组合结构抗火设计的现状及其特点，本人提出钢-混凝土组合结构抗火设计的几点建议：

（1）钢-混凝土组合结构在进行抗火设计时，应充分考虑构件的特点，确定不同的耐火极限；

（2）应重视采用数值模拟分析与耐火试验法相结合的设计方法，以克服单纯采用耐火试验法的缺点；

（3）根据钢-混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的特点，应充分发挥其优势。如：增大混凝土部分的截面尺寸，降低组合柱的长细比，等等；

（4）采用合理的建筑防火构造措施，如：减小房间的门窗面积，减小楼板的洞口面积，增大构件迎火面的截面尺寸，进行合理的防火分区等等，可有效提高建筑物的整体抗火性能；

（5）采用优质耐火钢材，提高构件的抗火性能。

8 结语

本文简要介绍了国内外研究者们在组合结构构件、梁柱节点、整体结构抗火性能方面取得的部分研究结果，探讨和展望了组合结构抗火原理研究领域需进一步开展的工作。 

组合结构是目前结构工程领域研究和应用的热点话题之一，是工程技术进步和现代施工技术向工业化生产发展的必然产物。可以预期，在新的世纪里，随着计算手段、实验能力的不断提高以及相关工程技术的不断进步，组合结构耐火性能和抗火设计原理的研究必将不断得到深入和快速发展。

参考文献

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