不同升温速率下钢管柱构件抗火试验学习体会

文献概况与核心发现

本文由李焕群与史可贞发表于《消防科学与技术》2016年第35卷第7期，依托公安部应用创新项目（2010YYCXWJXY124），系统研究了薄壁钢管柱构件在不同升温速率下的抗火性能。试验分为两组：恒载升温组采用5个构件，升温速率分别为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5 ℃/min，达到目标温度300 ℃后恒温10 min；轴向位移约束组采用3个构件，升温速率分别为3.9、6.2、13.0 ℃/min，温度持续上升无恒温阶段。核心发现是：恒载升温过程中，升温速率越大，构件变形随温度增量的变化越小；轴向位移约束试验中，升温速率越大，构件内力随温度增量变化同样越小。

升温速率与钢管柱热力学响应的工程解读

从钢管材料学角度看，升温速率直接影响钢管柱的热传导过程与残余应力的发展。钢管柱作为薄壁结构，其壁厚通常较薄（常见6~12 mm），热传导速度相对较快，但升温速率的增大意味着单位时间内输入的热量更多，钢管内外壁温差增大，形成更大的温度梯度。在恒载升温条件下，升温速率越大，钢管柱的弹性变形阶段被压缩，塑性变形占比增加，导致变形随温度增量的变化率降低。这与薄壁钢管在高温下的材料力学性能退化密切相关——钢材屈服强度在300 ℃时约为常温的80%，在500 ℃时降至约50%，而弹性模量在400 ℃时已降至常温的约60%。

轴向位移约束与热胀冷缩的工程关联

轴向位移约束试验揭示了钢管柱在热膨胀受阻时的内力发展规律。钢管的线膨胀系数约为12×10⁻⁶/℃，在升温至600 ℃时，理论轴向膨胀量约为7.2 mm/m。当轴向位移被约束时，钢管柱内将产生巨大的压缩应力，这一应力与温度增量成正比，但升温速率的增大使得这一比例关系减弱。这一发现对于高层钢结构、大跨度钢管拱桥以及工业厂房钢管柱的防火设计具有重要参考价值。在实际工程中，钢管柱的支撑约束条件往往是复杂的，既有部分约束也有完全约束的情况，升温速率的选择应结合具体的火灾场景。

对钢管制造与焊接质量的启示

从钢管制造与焊接工艺的角度来看，升温速率对抗火性能的影响提示我们：钢管的焊接接头在火灾工况下的性能可能比母材更为薄弱。焊接热影响区（HAZ）在反复热循环后可能出现组织粗化，导致高温下的力学性能退化更为显著。对于ERW（电阻焊）钢管和HFW（高频焊）钢管，焊缝区域的抗火性能需要特别关注。建议在实际工程中，对钢管柱的焊缝区域进行专门的抗火性能评估，必要时采用耐高温焊材或进行焊后热处理。

学习心得与工程建议

本文的试验设计较为系统，覆盖了多种升温速率和约束条件，但试验温度上限仅到300 ℃，对于实际火灾工况（通常可达800~1000 ℃）而言，研究范围偏窄。建议在后续研究中将试验温度提高至600 ℃以上，并引入钢管柱的耐火极限评定标准（如GB 50016中的耐火时间要求）。对于钢管柱的防火设计，建议采用防火涂料包裹、增设耐火层或采用厚壁钢管等措施，同时考虑升温速率对结构响应的影响，在结构设计阶段预留足够的变形余地。