内置角钢箍筋圆钢管混凝土柱耐火性能研究的学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《建筑结构》2025年第55卷第21期，由华南理工大学与广东省建筑科学研究院联合完成，依托国家自然科学基金和中国博士后科学基金项目支持。研究提出了一种创新的圆钢管混凝土柱设计方法——在不增加总用钢量的前提下，通过减小钢管壁厚并在混凝土内设置Q345角钢和箍筋，实现取消防火保护的目的。这一创新思路对于降低建筑造价、简化施工工序和提高结构经济性具有重要的工程价值。

耐火性能试验设计

试件设计

研究共设计了3根足尺柱试件：2根内置Q345角钢和箍筋的圆钢管混凝土柱和1根传统CFST柱作为对照。试件在竖向荷载和总用钢量基本相同的条件下进行对比试验，确保了试验结果的公平性和可比性。明火试验按照标准升温曲线进行，模拟实际火灾工况下的温度场分布。

研究变量

核心试验结果分析

耐火极限提升效果

内置角钢和箍筋的CFST柱在取消防火保护的情况下，耐火极限提高200%以上。这一显著提升主要源于以下机理：

1. 内置角钢在高温下形成骨架支撑，延缓钢管壁的高温软化变形。
2. 箍筋约束混凝土，提高混凝土的高温抗压强度和抗爆裂能力。
3. 角钢与钢管之间的混凝土在高温下提供隔热层，延缓钢管壁温升。
4. 总用钢量不变的前提下，钢管壁厚减小降低了热传导速度。

高温变形特征

与传统CFST柱相比，内置角钢和箍筋的CFST柱在高温下的轴向压缩变形较为缓慢，延性更好。这一特征对于火灾中的结构安全至关重要，因为缓慢的变形意味着结构在火灾中有更多的时间供人员疏散和消防救援。高温下的良好延性也意味着结构在达到极限状态前具有明显的预警信号。

径厚比与名义荷载比的影响

增大钢管外径或径厚比可提高耐火极限，而增大名义荷载比会降低耐火极限。这一规律符合力学原理：较大的外径意味着更大的截面惯性矩和更高的抗弯刚度；较高的径厚比意味着相对较薄的壁厚，有利于延缓热传导；较高的荷载比意味着更大的初始应力水平，加速高温下的材料性能退化。

钢管制造与焊接工艺考量

钢管选型与制造

内置角钢和箍筋方案要求钢管壁厚适当减小，这对钢管制造提出了特殊要求。薄壁钢管在成型过程中更容易发生椭圆度和壁厚不均等缺陷，需严格控制成型工艺参数。对于大直径钢管（外径600mm以上），建议采用HFW（高频焊）或LSAW（直缝埋弧焊）工艺，确保焊缝质量和几何精度。

钢管的焊接接头质量直接影响结构的高温性能。焊接热影响区在高温下可能成为薄弱环节，建议在制造过程中采用低热输入焊接工艺，减少热影响区的脆化程度。焊后应进行消应力热处理，消除焊接残余应力。

内部钢筋焊接与安装

内置角钢和箍筋的安装涉及钢筋焊接和定位固定。角钢与箍筋的连接宜采用点焊或短焊缝连接，避免过度焊接导致热输入过大影响混凝土质量。钢筋定位应采用专用定位夹具，确保钢筋间距和位置的准确性。钢筋表面应进行除锈处理，必要时涂刷界面剂以提高与混凝土的粘结力。

工程应用前景与思考

本文提出的内置角钢和箍筋方案为钢管混凝土柱的耐火设计提供了全新的技术路径。传统方案中，钢管混凝土柱需要附加防火保护层（如防火涂料、防火板等），增加了施工工序和造价。内置方案通过合理的截面优化和内部钢筋配置，实现了取消防火保护的目的，具有显著的经济效益和施工便利性。

从钢管制造角度看，薄壁大直径钢管的制造精度要求更高，需加强过程质量控制。从焊接角度看，内部钢筋的焊接和定位需要专门的工艺方案，确保施工质量。从设计角度看，需建立完善的耐火性能计算方法，将径厚比、名义荷载比等参数纳入设计公式。

在实际工程中，建议对内置方案进行充分的工程验证，包括足尺试验、模型试验和数值模拟的多尺度验证。同时，应关注长期高温循环荷载下的疲劳性能和耐久性，确保结构在整个设计寿命内的安全可靠性。

学习心得与总结

通过深入学习本文，我深刻认识到钢管混凝土结构的耐火性能优化是一个涉及材料科学、结构力学和火灾工程的多学科交叉问题。内置角钢和箍筋的创新方案，通过巧妙的截面优化和内部构造设计，在不增加用钢量的前提下实现了耐火极限的显著提升，体现了结构工程中"以巧取胜"的设计理念。对于钢管制造和焊接技术人员而言，这一方案对钢管的制造精度和焊接质量提出了更高要求，需要在工艺开发和质量控制方面进行针对性的优化。这一研究成果为钢管混凝土结构在超高层建筑、工业厂房和大跨度空间中的应用开辟了新的技术路径，具有重要的工程推广价值。