全过程火灾后中空夹层高强钢管混凝土偏压短柱力学性能——技术学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《苏州科技大学学报（工程技术版）》2025年第38卷第1期，由苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室与沈阳大学合作完成，受国家自然科学基金项目（52078306）和江苏省高等学校自然科学研究重大项目（21KJA560002）资助。研究聚焦全过程中空夹层高强钢管混凝土偏压短柱在火灾后的剩余承载力与力学性能，建立了全过程本构模型，并通过有限元分析揭示了关键参数对剩余承载力的影响规律。

火灾后结构的剩余承载力评估是结构火灾安全评估的核心问题。中空夹层高强钢管混凝土构件作为一种新型组合结构，在高层建筑、大跨结构中具有广阔的应用前景，但其火灾后性能研究相对匮乏。本文的研究为该类构件的火灾后评估提供了重要的理论依据。

本构模型与有限元分析

全过程中空夹层钢管混凝土本构模型

本文的关键贡献之一是确定了全过程中空夹层钢管混凝土构件的本构模型。该模型需要同时考虑以下因素：

• 高温下钢材的强度退化：钢材强度随温度升高而降低，在600°C以上强度急剧下降；
• 高温下混凝土的强度退化：混凝土在400°C以上强度显著降低，在800°C以上基本丧失承载能力；
• 钢管与混凝土的约束效应：钢管对混凝土的侧向约束提高了混凝土的抗压强度，但高温下约束效应会因材料膨胀系数差异而减弱；
• 中空夹层结构的特殊性：中空夹层结构具有内外两层钢管，夹层混凝土的约束条件与实心钢管混凝土不同。

有限元模型验证

作者利用ABAQUS软件建立有限元模型，对高温后中空夹层钢管混凝土偏压构件的全过程曲线进行计算，计算结果与试验结果吻合良好。这验证了本构模型与有限元模型的准确性。

参数化分析结果

影响因素分析

关键发现

1. 材料强度与空心率对剩余承载力系数影响不大，但剩余承载力随材料强度增加而增加。这说明在火灾后评估中，材料强度的影响主要体现在绝对承载力上，而非相对退化程度上。
2. 偏心距增加使极限承载力显著下降，但剩余承载力系数逐渐增大。这一现象值得深入分析：偏心距增大导致构件在火灾前已处于较大的应力水平，火灾后强度退化的相对影响反而减小。
3. 长细比增加使剩余承载力下降较大，且对剩余承载力系数影响较大。长细比对剩余承载力的影响大于对剩余承载力系数的影响，说明长细比增大不仅降低了绝对承载力，还加剧了火灾后的退化程度。
4. 升温时间增长使剩余承载力系数大幅下降。这是最关键的发现——火灾持续时间对结构剩余承载力的影响远大于其他参数。

工程应用思考

火灾后评估方法

基于本文的研究成果，可建立中空夹层高强钢管混凝土构件火灾后评估的基本流程：

1. 确定火灾温度场：根据火灾场景确定构件各部位的温度分布；
2. 确定升温时间：根据火灾持续时间确定升温时间；
3. 计算材料强度退化：根据温度-强度关系确定高温下钢材与混凝土的强度；
4. 计算剩余承载力：利用本文提出的方法计算剩余承载力；
5. 评估剩余承载力系数：与火灾前承载力对比，确定退化程度；
6. 提出加固建议：根据剩余承载力评估结果，提出加固方案。

设计优化建议

• 控制长细比：长细比对剩余承载力影响显著，设计中应控制构件长细比，避免过细的构件；
• 合理控制偏心距：偏心距增大虽提高剩余承载力系数，但显著降低绝对承载力，需综合考量；
• 重视防火保护：升温时间是影响剩余承载力的最关键因素，应通过防火保护层、喷水系统等手段控制升温时间。

与相关标准的衔接

关键疑问与深度思考

一是中空夹层结构的特殊性。中空夹层结构具有内外两层钢管，夹层混凝土的约束条件与实心钢管混凝土不同。火灾后，内外钢管的热膨胀差异可能导致夹层混凝土开裂或脱空，这将显著影响结构的剩余承载力。本文的研究是否充分考虑了这一因素？

二是残余变形的评估。本文主要关注剩余承载力，但火灾后结构的残余变形同样重要。过大的残余变形可能导致结构功能丧失，即使承载力满足要求。建议在后续研究中增加残余变形的评估。

三是加固方法的研究。火灾后结构的加固是工程实践中的关键问题。针对中空夹层高强钢管混凝土构件，可研究外包钢板、粘贴碳纤维、增加支撑等多种加固方法，评估其加固效果与经济合理性。

学习心得与启示

本文的研究方法具有示范意义：通过建立全过程本构模型、开展系统参数化分析、揭示关键影响规律，为火灾后结构评估提供了理论工具。这种研究范式可推广到其他类型组合结构的火灾后性能研究。

对工程实践的启示是：火灾后结构评估不能仅关注承载力，还需综合考虑变形、裂缝、功能恢复等多方面因素。同时，防火设计应贯穿于结构设计的各个阶段，通过合理的结构布置、材料选择、防火保护措施，提高结构的火灾后剩余承载力。