火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《沈阳大学学报（自然科学版）》2024年第36卷第1期，作者团队来自沈阳大学建筑工程学院，研究受国家自然科学基金、辽宁省教育厅基本科研项目和沈阳市科学技术计划资助。火灾后高强钢管混凝土柱的轴压性能是结构工程领域的重要研究课题。随着高强材料在工程中的广泛应用，高强钢管混凝土柱的火灾后性能研究变得尤为紧迫，因为高强钢在高温下的性能退化规律与常规钢存在显著差异。

核心观点与技术要点解读

有限元模拟方法的建立

本文利用ABAQUS有限元软件建立了火灾后高强钢管混凝土柱的轴压模型，以钢管屈服强度、受火时间和混凝土强度为主要参数进行参数化分析。有限元模型的正确建立是获取可靠分析结果的前提。在钢管混凝土柱的有限元建模中，需要特别注意以下技术要点：

• 钢管与混凝土之间的界面行为：采用摩擦接触或内聚力模型模拟钢管与混凝土之间的粘结和滑移行为。
• 高温下材料本构关系的准确描述：高温下钢管的屈服强度和弹性模量显著降低，混凝土的强度损失更为剧烈。
• 火灾温度场的合理模拟：采用合理的火灾升温曲线（如ISO 834标准升温曲线）和构件温度分布模型。
• 残余应力的考虑：火灾后的残余变形和残余应力对后续轴压性能有重要影响。

钢管屈服强度的影响

研究表明，随着钢管屈服强度的增大，构件的极限承载力增大。这一规律符合直觉，但高强钢管混凝土柱在高温下的行为需要特别关注。高强钢（屈服强度≥460MPa）在高温下的性能退化比常规钢更为显著，主要体现在：

受火时间的影响

随着受火时间的增加，构件的极限承载力呈现下降趋势。这一现象的根本原因在于高温下材料的持续性能退化。火灾持续时间越长，构件经历的高温时间越长，材料的累积损伤越严重。从工程实践角度，受火时间是结构火灾安全设计的关键参数，直接关系到构件的耐火极限判定。

混凝土的承载贡献

一个重要的发现是：在受火时间分别为60、90、120分钟时，构件中的混凝土承担主要载荷。这一结果可能令人意外，因为通常认为钢管是钢管混凝土柱的主要承力构件。然而，在高温条件下，钢管的性能退化可能比混凝土更为严重（特别是高强钢管），导致混凝土在火灾后阶段承担了更大比例的载荷。这一发现对火灾后高强钢管混凝土柱的设计具有重要的指导意义。

火灾后结构评估与修复

火灾后构件性能评估

火灾后高强钢管混凝土柱的性能评估是结构安全鉴定的重要环节。评估内容包括：

• 钢管的高温残余变形和残余应力测量
• 混凝土的高温强度损失评估
• 钢管与混凝土之间粘结性能的退化评估
• 构件的整体承载力和变形能力评估

修复策略

对于火灾后需要修复的高强钢管混凝土柱，需要考虑以下修复策略：

与工程实践的结合

在工程实践中，火灾后高强钢管混凝土柱的评估和修复面临诸多挑战。首先，火灾后钢管混凝土柱的内部混凝土状态难以直接观测，需要采用无损检测技术（如超声检测、红外热成像等）进行间接评估。其次，高强钢管的焊接修复需要严格控制焊接工艺，以避免焊接热影响区的性能劣化。第三，修复后的构件需要满足原设计的性能要求，这要求修复方案经过充分的验证和审批。

对于石油化工、电力等工业设施中的钢管混凝土结构，火灾风险评估和防火设计是安全管理体系的重要组成部分。DNV-ST-F101等标准对海上平台结构的火灾设计有明确要求，包括防火涂层、水喷淋系统和被动防火保护等措施。

学习心得与启示

本文的研究揭示了火灾后高强钢管混凝土柱性能退化的关键规律，特别是混凝土在高温后承担主要载荷这一发现，对高强钢管混凝土结构的火灾安全设计具有重要启示。在实际工程中，高强材料的广泛应用带来了更高的承载力和更优的经济性，但也带来了高温性能退化的新挑战。结构工程师需要全面理解高强材料在各种极端环境下的行为特征，才能确保结构在全寿命周期内的安全可靠。未来，随着高性能防火材料和智能监测技术的发展，高强钢管混凝土结构的火灾安全性能有望进一步提升。