火灾后中空夹层高强钢管混凝土柱轴压机理分析——文献学习体会

文献概况

本文发表于《工业建筑》2019年第49卷第5期，作者为刘晓、王伊、王兵，来自沈阳大学建筑工程学院。研究依托国家自然科学基金项目，利用ABAQUS有限元分析软件建立了中空夹层高强钢管混凝土柱（CFDST）的火灾后轴压模型，通过试验验证了模型的可靠性，并系统分析了受火时间、空心率、外钢管屈服强度和混凝土抗压强度对火灾后力学性能的影响。

研究背景与工程意义

中空夹层高强钢管混凝土柱（CFDST）是一种新型结构形式，其特点是在外钢管和核心混凝土之间设置中空夹层，夹层内可填充保温材料或用于管线敷设。这种结构形式在超高层建筑和工业建筑中具有广阔的应用前景。然而，火灾是建筑结构面临的主要灾害之一，火灾后结构的剩余承载力和变形能力直接影响人员疏散和结构安全。

从钢管制造和焊接的角度来看，中空夹层高强钢管混凝土柱的制造涉及高强钢管的焊接、夹层结构的组装以及混凝土的浇筑等多个工序。每个工序的质量都直接影响结构的火灾后性能。特别是高强钢管的焊接质量，对火灾后结构的承载力和延性有重要影响。

核心发现与技术数据

研究的主要发现包括：

1. 受火时间效应：随着受火时间的增加，高强CFDST的极限承载力逐渐减小。这是因为火灾高温导致钢材和混凝土的力学性能退化，特别是高强钢在高温下的强度退化更为显著。
2. 空心率效应：空心率的增大导致极限承载力降低。这是因为空心夹层减少了混凝土的约束效应，降低了结构的整体刚度。但空心夹层可以填充保温材料，提高结构的耐火性能，因此空心率的选择需要在承载力和耐火性之间进行权衡。
3. 外钢管屈服强度效应：外钢管屈服强度由Q345变为Q460时，极限承载力显著提高，且承载力贡献比例发生显著变化——核心混凝土由60%降至30%，外钢管由25%升至50%。这一发现具有重要的设计意义：采用高强外钢管可以显著提高火灾后承载力，但需要重新评估承载力贡献比例。
4. 混凝土抗压强度效应：混凝土抗压强度的提高对极限承载力的影响相对较小，这是因为火灾后混凝土的强度退化更为严重，常温下的强度优势在火灾后被削弱。

火灾后力学性能退化机理

火灾后高强CFDST的力学性能退化涉及多个层面的机理：

• 钢材的高温退化：高强钢在高温下的屈服强度和弹性模量显著降低。Q460钢在800℃时的屈服强度仅为常温的10%-15%，而Q345钢的退化程度相对较轻。
• 混凝土的高温退化：混凝土在高温下发生脱水、相变和微裂纹扩展，导致抗压强度和弹性模量降低。当温度超过600℃时，混凝土的抗压强度可能降至常温的10%以下。
• 界面相互作用的变化：火灾高温导致钢管与混凝土之间的界面粘结强度降低，影响内外钢管与混凝土之间的协同工作性能。
• 残余变形效应：火灾过程中产生的残余变形影响火灾后结构的承载能力和变形能力。

与工程实践的结合

在工程实践中，中空夹层高强钢管混凝土柱的火灾后性能优化需要考虑以下方面：

1. 外钢管材料选择：采用高强钢管（如Q460或更高强度）可以显著提高火灾后承载力，但需要关注高强钢在高温下的性能退化特征，选择合适的防火保护措施。
2. 夹层结构设计：夹层内填充保温材料（如气凝胶、岩棉等）可以提高结构的耐火性能，延缓钢管和混凝土的温度升高，从而保持火灾后承载力。
3. 焊接质量控制：高强钢管的焊接质量直接影响结构的火灾后性能。焊接残余应力和热影响区的性能退化可能在火灾后成为薄弱环节，需要严格控制焊接工艺和进行焊后热处理。
4. 防火保护措施：采用防火涂料、防火板或包裹耐火材料等保护措施，可以降低钢管和混凝土的升温速率，提高火灾后承载力。

学习心得与启示

这篇文章的研究成果对中空夹层高强钢管混凝土柱的设计具有重要的指导意义。特别是外钢管屈服强度对承载力贡献比例的影响，为结构设计中材料强度的选择提供了新的视角。

从钢管制造和焊接的角度来看，高强钢管的焊接质量控制是确保结构火灾后性能的关键。高强钢的焊接性较差，热影响区容易产生脆化组织，火灾高温可能进一步加剧这一问题。因此，在焊接工艺选择上，应采用低热输入工艺，严格控制层间温度，并进行焊后热处理以消除残余应力和改善热影响区组织。

此外，这篇文章也提示我们，结构耐火设计不能仅关注承载力的保持，还需要关注承载力贡献比例的重新分配。在火灾后，高强外钢管的承载力贡献比例显著提高，这意味着外钢管的完整性和稳定性对火灾后结构安全至关重要。因此，在外钢管的设计中，应适当增加稳定储备，防止火灾后发生局部屈曲或整体失稳。