钢管约束钢筋再生混凝土柱三面受火耐火极限研究学习体会

文献概况

张玉琢、陈新华、张冠华、王佳伟等研究人员于2021年在《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》第37卷第1期发表了"钢管约束钢筋再生混凝土柱三面受火下的耐火极限"一文。该研究受国家自然科学基金等多项基金资助，采用ABAQUS有限元软件建立了ISO 834标准火灾作用下三面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱温度场及耐火极限分析模型，系统分析了取代率、荷载比、混凝土强度、长细比、含钢率、荷载偏心率等参数对构件耐火极限的影响。

研究背景与工程意义

再生混凝土的应用趋势

再生混凝土（Recycled Concrete）是利用建筑垃圾中的废弃混凝土经破碎、筛分后作为骨料替代天然骨料制成的混凝土。随着建筑垃圾量的逐年增长和天然骨料的日益紧缺，再生混凝土的应用比例不断提高。然而，再生混凝土由于含有附着在骨料表面的旧砂浆层，其力学性能通常低于同强度等级的天然混凝土，在火灾等极端工况下的性能退化规律更为复杂。

三面受火工况的特殊性

三面受火是建筑火灾中常见的受火模式，通常发生在建筑内部的柱构件上，其三面（三个侧面）暴露于火焰中，而顶面和底面受到楼板保护。与四面受火相比，三面受火工况下构件的温度场分布不对称，导致截面温度梯度不均匀，进而影响构件的承载力和稳定性。

从钢管制造与焊接的角度来看，方钢管约束钢筋再生混凝土柱的焊接节点是火灾下的薄弱环节。方钢管与内部钢筋笼的连接焊缝、钢管端部的密封焊缝在火灾高温下可能成为结构失效的起始点。

有限元模型的关键假设

温度场模型

论文采用ABAQUS软件建立温度场模型，关键参数包括：

再生混凝土高温性能模型

再生混凝土在高温下的性能退化是耐火极限分析的核心。再生骨料表面的旧砂浆层在高温下发生分解，导致骨料与水泥基体之间的界面过渡区（ITZ）性能加速退化。论文中采用的再生混凝土高温强度折减模型需考虑以下因素：

1. 骨料效应：再生骨料的热膨胀系数与水泥基体不同，高温下界面应力增大。
2. 旧砂浆层分解：旧砂浆中的水化产物在高温下分解，产生微裂纹。
3. 水分迁移：再生混凝土中自由水和结合水在高温下迁移，产生蒸汽压效应。

关键参数影响分析

荷载比的影响

论文指出荷载比对耐火极限影响最为显著。荷载比定义为构件所受轴力与常温极限承载力之比。随着荷载比增大，构件在火灾中的耐火极限显著降低。这一结论符合结构工程的一般规律——高荷载比意味着构件在火灾升温后更早达到承载力极限状态。

从钢管制造的角度来看，钢管的几何精度和焊接质量直接影响构件的常温极限承载力，进而影响耐火极限。壁厚偏差、焊缝缺陷等质量问题将降低构件的初始承载力，使构件在较低荷载比下即表现出耐火极限不足的问题。

含钢率的影响

论文发现含钢率在特定范围内对耐火极限的提升效果存在边际递减效应。当含钢率从5.55%增加至7.02%时，耐火极限提升14.77%；而当含钢率从7.02%进一步提升至8.51%时，耐火极限仅提升3.09%。这一现象的原因在于：

1. 含钢率较低时：增加含钢率显著提高了构件的承载力和稳定性，耐火极限提升明显。
2. 含钢率较高时：构件的承载力已非控制因素，耐火极限主要受混凝土高温性能退化和钢管局部屈曲控制，增加含钢率的边际效益降低。

荷载偏心率的影响

论文指出荷载偏心率对耐火极限的影响较为复杂。当荷载比低于0.5时，荷载偏心率的影响主要取决于构件因受火引起的挠曲方向。这一发现具有重要的工程意义——在火灾设计中，需考虑偏心荷载与火灾引起的温度梯度的耦合效应。

其他参数

与钢管焊接质量的关联

从焊接工艺的角度来看，方钢管约束钢筋再生混凝土柱的焊接质量对耐火极限有重要影响：

1. 方钢管对接焊缝：采用SAW（埋弧焊）或GTAW（钨极氩弧焊）焊接时，焊缝的热影响区（HAZ）组织粗化，高温强度下降更快，可能成为火灾下的薄弱环节。
2. 钢管与内衬钢筋的连接：通常采用点焊或角焊缝连接，焊缝质量直接影响钢管对混凝土的约束效果。
3. 钢管端部密封焊缝：密封焊缝的质量关系到混凝土填充的密实度，进而影响钢管-混凝土的协同工作性能。

工程应用建议

学习反思与展望

该研究采用有限元方法系统分析了三面受火条件下方钢管约束钢筋再生混凝土柱的耐火极限，参数研究较为全面，结论对工程设计具有指导意义。特别是含钢率的边际递减效应和荷载偏心率的复杂影响规律，为工程优化设计提供了有价值的参考。

从钢管制造和焊接的角度，我认为以下方面值得进一步关注：

• 方钢管焊缝区域在火灾高温下的性能退化规律需通过专门的焊接接头耐火试验来验证，有限元模型中的焊缝简化可能无法准确反映焊缝区域的实际耐火行为。
• 再生混凝土中再生骨料的来源和品质差异较大，不同来源的再生骨料在高温下的性能退化规律可能不同，需要针对具体工程进行材料性能测试。
• 三面受火工况下钢管的局部屈曲行为是耐火极限的关键控制因素之一，钢管的几何缺陷（如焊缝余高、局部凹陷）对局部屈曲承载力的影响需在模型中予以考虑。

总体而言，该文献为再生混凝土在耐火结构中的应用提供了重要的理论依据和工程指导，对于推动再生混凝土在高层建筑和桥梁工程中的安全应用具有重要的参考价值。