相邻两面受火的方钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限文献学习体会

文献概况与研究背景

本文由沈阳建筑大学张玉琢和辽宁工程技术大学许扬、吕学涛三位作者完成，刊载于《工业建筑》2019年第49卷第2期，页码148至154。研究受国家自然科学基金项目（51208246、51808352）资助。相邻两面受火是实际火灾中常见的受火模式，与四面均匀受火相比，相邻两面受火条件下的温度场分布和力学行为更加复杂，对构件耐火极限的影响也更为显著。本文通过有限元分析系统研究了相邻两面受火条件下方钢管约束钢筋混凝土柱的耐火极限，为工程设计提供了重要的参考依据。

有限元模型建立与验证

相邻两面受火温度场的模拟

相邻两面受火条件下，构件的温度场呈现明显的非对称分布。受火面的温度升高迅速，而背火面由于热传导的滞后效应，温度升高相对缓慢。这种温度梯度会在构件内部产生显著的热应力，导致构件发生弯曲变形。方钢管约束钢筋混凝土柱在相邻两面受火时，受火侧的钢管温度升高，约束能力下降，而背火侧的钢管温度较低，约束能力保持较好，这种约束效应的不对称分布进一步加剧了构件的弯曲变形。

文献运用ABAQUS有限元软件建立了相邻两面受火的方钢管约束钢筋混凝土柱模型，并将计算结果与试验结果进行了对比，两者吻合良好。这一验证对于建立分析模型的可信度至关重要。在耐火极限分析中，温度场和力学场的耦合效应复杂，数值模型的准确性需要通过与试验数据的对比来确认。

材料高温本构关系

相邻两面受火条件下，材料的高温本构关系需要考虑温度梯度的影响。钢材的高温强度折减系数随温度升高而降低，混凝土的高温抗压强度折减系数同样随温度升高而降低，但折减曲线不同。在相邻两面受火条件下，构件不同位置的温度不同，因此不同位置的强度折减系数也不同，需要在有限元模型中采用温度相关的材料本构关系。

参数化分析结果解读

长细比的影响

长细比是影响方钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限的显著参数。长细比越大，构件的稳定性越差，在火灾作用下更容易发生屈曲失稳。相邻两面受火条件下，温度梯度引起的附加弯矩与轴向荷载的偏心效应叠加，进一步降低了构件的稳定性。长细比的影响在相邻两面受火条件下比四面均匀受火条件下更为显著，因为非对称温度场加剧了构件的弯曲变形。

荷载比与荷载偏心率的影响

荷载比和荷载偏心率对耐火极限的影响显著。荷载比增大意味着构件初始应力水平升高，高温下钢材强度降低后 sooner达到屈服状态。荷载偏心率增大则意味着初始弯矩增大，与温度梯度引起的附加弯矩叠加后，构件的弯曲变形加速，导致更早失稳。

在相邻两面受火条件下，荷载偏心率的效应比四面均匀受火条件下更为复杂。当荷载偏心方向与受火面方向一致时，偏心弯矩与热弯矩同向叠加，对耐火极限的影响最为不利；当荷载偏心方向与受火面方向相反时，偏心弯矩与热弯矩部分抵消，耐火极限相对改善。

含钢率与配筋率的影响

含钢率和配筋率对构件耐火极限的影响较小。这一结果可能出乎部分工程人员的预期。其原因在于，耐火极限主要取决于构件在火灾作用下的稳定性，而非常温下的承载力。高温下钢材和混凝土的强度均大幅折减，含钢率和配筋率的增加对高温承载力的提升有限。此外，方钢管对核心混凝土的约束效应是耐火性能的主要贡献因素，含钢率和配筋率的变化对约束效应的改变较小。

耐火极限简化计算式的工程应用

文献针对影响耐火极限的各项参数提出了耐火极限简化计算式。简化计算式的提出对于工程设计具有重要的实用价值。在工程设计阶段，采用简化计算式可以快速估算构件的耐火极限，判断是否需要采取防火保护措施，从而避免不必要的有限元分析工作。

简化计算式的适用条件和精度范围需要在实际应用中予以注意。文献中提出的简化计算式是基于参数化分析结果回归得到的，其适用范围受限于分析参数范围。当实际工程中的参数超出分析范围时，简化计算式的精度可能下降，需要结合有限元分析进行验证。

从钢管制造与焊接角度的技术关联

方钢管的制造质量对耐火性能的影响

方钢管的制造质量直接影响约束钢筋混凝土柱的耐火性能。方钢管的壁厚均匀性影响约束效应的均匀分布，钢管的直线度影响柱的初始弯曲，钢管的焊接接头质量影响节点区的耐火性能。特别是方钢管的角部区域，由于焊接接头的存在和截面几何突变，在火灾中可能成为薄弱环节。

方钢管的制造方法（冷弯、热轧、焊接等）也会影响其高温性能。冷弯方钢管的角部可能存在冷作硬化效应，在高温下可能发生去应力退火，导致角部区域的力学性能退化。焊接方钢管的焊缝区域在高温下可能发生组织转变，影响焊缝的高温强度和韧性。

钢管与混凝土界面粘结的耐火影响

方钢管与核心混凝土之间的界面粘结是约束效应的传递通道。在火灾作用下，钢管与混凝土的热膨胀系数不同，界面处会产生剪切应力，可能导致界面脱粘。界面脱粘会降低钢管对混凝土的约束效应，加速构件的失效。在相邻两面受火条件下，界面脱粘的演化更加复杂，受火侧的界面脱粘可能先于背火侧发生，导致约束效应的不对称退化。

学习心得与工程启示

这篇文献的研究结果对于方钢管约束钢筋混凝土柱的耐火设计具有重要的指导意义。长细比、荷载比和荷载偏心率是影响耐火极限的显著参数，而含钢率和配筋率的影响较小。这一发现提示我们在工程设计中应优先控制长细比和荷载水平，而非单纯增加含钢率或配筋率。

从钢管制造角度，方钢管的尺寸精度、壁厚均匀性和焊接质量是影响耐火性能的重要制造因素。在相邻两面受火的非对称受火条件下，方钢管的对称性和焊接接头的位置分布需要特别关注，以避免在受火不利方向形成薄弱环节。

耐火极限简化计算式的提出，为工程设计提供了快速评估工具。在实际工程中，可以结合简化计算式和有限元分析，实现耐火设计的效率和准确性的平衡。同时，文献的研究也提示我们，耐火设计不能仅关注材料的高温性能，还必须充分考虑结构体系在火灾作用下的整体行为，包括温度场分布、应力重分布和约束效应退化等复杂因素。